KR102292170B1 - Method for improving signal-to-noise of photoacoustic signal measured with photoacoustic detector - Google Patents

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KR102292170B1 KR1020200024974A KR20200024974A KR102292170B1 KR 102292170 B1 KR102292170 B1 KR 102292170B1 KR 1020200024974 A KR1020200024974 A KR 1020200024974A KR 20200024974 A KR20200024974 A KR 20200024974A KR 102292170 B1 KR102292170 B1 KR 102292170B1
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Abstract

The present invention relates to a method of improving a signal-to-noise ratio of a photoacoustic signal, generated from a light absorber, measured by a photoacoustic meter when an incident beam is absorbed by the light absorber in order to grasp the position or characteristics of the light absorber. According to the present invention, when a processing device performs matched filtering processing on the photoacoustic signal in the frequency domain, the method is configured to use a chirp signal spectrum from which a DC component has been removed, thereby capable of improving the signal-to-noise ratio of the photoacoustic signal. The present invention includes a step of absorbing the chirp signal emitted through a light source by the light absorber located inside a light diffusion medium.

Description

광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법{METHOD FOR IMPROVING SIGNAL-TO-NOISE OF PHOTOACOUSTIC SIGNAL MEASURED WITH PHOTOACOUSTIC DETECTOR}METHOD FOR IMPROVING SIGNAL-TO-NOISE OF PHOTOACOUSTIC SIGNAL MEASURED WITH PHOTOACOUSTIC DETECTOR

본 발명은 광 흡수체의 위치나 특성 등을 파악하기 위해서 광 흡수체에 입사빔을 흡수시키는 경우에, 상기 광 흡수체에서 발생되어 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있는 방법에 관한 것이다. The present invention provides a method for improving the signal-to-noise ratio of a photoacoustic signal generated by the light absorber and measured by a photoacoustic meter when an incident beam is absorbed by the light absorber in order to grasp the position or characteristics of the light absorber. is about

일반적인 광음향 측정에서는, 광 확산매체(예를 들어, 생체 조직 등)의 내부에 위치하는 광 흡수체(예를 들어, 혈관, 종양 등)의 위치나 특성 등을 파악하기 위해서, 광 확산매체의 외부에 위치하는 광원을 통해 입사빔을 방출시켜 광 확산매체에 조사한다. 광 확산매체에 조사되는 입사빔은 광 확산매체 내부에서 산란이 일어나게 되며, 이에 따라 광 흡수체에는 입사빔 중 일부만이 흡수되게 된다.In general photoacoustic measurement, in order to grasp the position or characteristics of a light absorber (eg, blood vessel, tumor, etc.) located inside the light diffusion medium (eg, living tissue, etc.), The incident beam is emitted through a light source located in the The incident beam irradiated to the light diffusion medium is scattered inside the light diffusion medium, and accordingly, only a part of the incident beam is absorbed by the light absorber.

광원을 통해 방출되는 입사빔의 세기가 시간에 따라 변하게 되면, 상기 입사빔을 흡수하는 광 흡수체는 열 팽창 현상으로 인해 물리적으로 팽창과 수축을 반복하게 되고, 이 과정에서 광 흡수체에서는 광음향 신호(예를 들어, 초음파 신호)가 발생하게 된다. 광음향 측정에서는, 이와 같이 광 흡수체에서 발생하는 광음향 신호를 광 확산매체의 외부에 위치하는 광음향 측정기로 측정하며, 상기 광음향 측정기에 의해 측정된 광음향 신호를 처리장치를 통해 처리함으로써 광 흡수체의 위치나 특성 등을 파악하는데 이용한다. When the intensity of the incident beam emitted through the light source changes with time, the light absorber absorbing the incident beam physically expands and contracts repeatedly due to thermal expansion, and in this process, the photoacoustic signal ( For example, an ultrasonic signal) is generated. In the photoacoustic measurement, the photoacoustic signal generated by the optical absorber is measured with an optoacoustic measuring device located outside the optical diffusion medium, and the photoacoustic signal measured by the photoacoustic measuring device is processed through a processing device. It is used to determine the position or characteristics of the absorber.

광 흡수체에서 발생하는 광음향 신호의 세기는 광 흡수체의 광 흡수계수와, 그 광 흡수체에 도달하는 입사빔의 세기에 비례한다. 다만, 광원을 통해 방출되는 입사빔의 세기는 제한적이고, 광 확산매체 내부에서는 산란 등으로 인해 입사빔의 세기가 지수함수적으로 감소하기 때문에, 광 흡수체에서 발생하는 광음향 신호의 세기는 매우 미약하다. The intensity of the photoacoustic signal generated from the light absorber is proportional to the light absorption coefficient of the light absorber and the intensity of the incident beam reaching the light absorber. However, the intensity of the incident beam emitted through the light source is limited, and since the intensity of the incident beam decreases exponentially due to scattering inside the light diffusion medium, the intensity of the photoacoustic signal generated from the light absorber is very weak. do.

또한, 광음향 측정 시, 열에 의한 광음향 잡음(즉, 광음향 열 잡음)이 항상 존재하기 마련이며, 광 흡수체에서 발생된 광음향 신호가 광 확산매체의 경계면이나 다른 광 흡수체에 의해 반사나 굴절되는 클러터(clutter) 형태의 광음향 잡음도 항상 존재하기 마련이다. 따라서, 통상적인 광음향 측정에서는 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비가 매우 낮으며, 이는 고해상도와 초민감도의 광음향 신호 및 영상 정보를 획득하는데 있어서 커다란 장애물이 된다.In addition, in photoacoustic measurement, photoacoustic noise due to heat (ie, photoacoustic thermal noise) is always present, and the photoacoustic signal generated by the light absorber is reflected or refracted by the interface of the light diffusion medium or other light absorbers. Optoacoustic noise in the form of clutter is always present. Therefore, in the conventional photoacoustic measurement, the signal-to-noise ratio of the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter is very low, which becomes a great obstacle in obtaining high-resolution and ultra-sensitive photoacoustic signals and image information.

한국 등록특허공보 제1730816호(2017.04.21)Korean Patent Publication No. 1730816 (2017.04.21)

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있는 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다. The present invention has been devised to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for improving the signal-to-noise ratio of a photoacoustic signal measured by a photoacoustic meter.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법은, 광원을 통해 방출되는 처프신호를 광 확산매체에 조사하여 상기 광 확산매체의 내부에 위치하는 광 흡수체에 흡수시키는 단계; 광음향 측정기를 이용하여 상기 처프신호로 인해 상기 광 흡수체에서 발생하는 광음향 신호를 측정하는 단계; 및 상기 광원 및 상기 광음향 측정기와 연결되는 처리장치가 상기 광음향 측정기에 의해 측정된 광음향 신호를 입력받아, 상기 광음향 신호를 주파수 영역에서 정합 필터링 처리를 수행하여 정합 필터링된 광음향 신호를 산출하는 단계;를 포함하며, 상기 광원을 통해 방출되는 처프신호는 시간에 따라 포락선(envelope)이 일정하고, 상기 정합 필터링된 광음향 신호를 산출하는 단계는, 상기 처리장치가 상기 처프신호에서 상기 처프신호의 DC(Dirct Current) 성분을 제거하여 DC 성분이 제거된 처프신호 스펙트럼을 산출하는 단계; 및 상기 처리장치가 상기 DC 성분이 제거된 처프신호 스펙트럼을 이용하여, 상기 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행하는 단계를 포함한다. In order to achieve the above object, in the method for improving the signal-to-noise ratio of the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter according to the first embodiment of the present invention, a chirped signal emitted through a light source is irradiated to an optical diffusion medium. and absorbing it into a light absorber located inside the light diffusion medium; measuring a photoacoustic signal generated from the optical absorber due to the chirped signal using a photoacoustic meter; and a processing device connected to the light source and the photoacoustic meter receives the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter, performs matched filtering on the photoacoustic signal in the frequency domain, and matches the filtered photoacoustic signal Calculating; including, wherein the envelope of the chirped signal emitted through the light source is constant over time, and calculating the matched-filtered optoacoustic signal includes, wherein the processing device receives the chirped signal from the chirped signal. calculating a chirp signal spectrum from which the DC component is removed by removing a direct current (DC) component of the chirp signal; and performing, by the processing device, a matched filtering process on the photoacoustic signal by using the chirp signal spectrum from which the DC component is removed.

상기 광원을 통해 방출되는 처프신호의 주파수 범위는, 상기 광음향 측정기의 전달함수와, 상기 광음향 측정기의 모양 및 상기 광 흡수체의 모양에 따라 결정되는 공간적 광음향 스펙트럼을 곱한 값의 절대값이 최대가 되는 주파수를 포함할 수 있다. The frequency range of the chirped signal emitted through the light source is the absolute value of the value obtained by multiplying the transfer function of the photoacoustic meter and the spatial photoacoustic spectrum determined according to the shape of the photoacoustic meter and the shape of the light absorber. It may include a frequency that becomes

본 발명의 제2 실시예에 따른 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법은, 광원을 통해 방출되는 처프신호를 광 확산매체에 조사하여 상기 광 확산매체의 내부에 위치하는 광 흡수체에 흡수시키는 단계; 광음향 측정기를 이용하여 상기 처프신호로 인해 상기 광 흡수체에서 발생하는 광음향 신호를 측정하는 단계; 및 상기 광원 및 상기 광음향 측정기와 연결되는 처리장치가 상기 광음향 측정기에 의해 측정된 광음향 신호를 입력받아, 상기 광음향 신호를 주파수 영역에서 정합 필터링 처리를 수행하여 정합 필터링된 광음향 신호를 산출하는 단계;를 포함하며, 상기 광원을 통해 방출되는 처프신호는 시간에 따라 포락선이 일정하고, 상기 정합 필터링된 광음향 신호를 산출하는 단계는, 상기 처리장치가 상기 처프신호를 이용하여 처프신호 스펙트럼을 산출하는 단계; 및 상기 처리장치가 상기 광음향 측정기의 전달함수와, 상기 광음향 측정기의 모양 및 상기 광 흡수체의 모양에 따라 결정되는 공간적 광음향 스펙트럼 중 적어도 어느 하나를, 상기 처프신호 스펙트럼에 곱한 값을 이용하여, 상기 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행하는 단계를 포함한다. The method for improving the signal-to-noise ratio of an optoacoustic signal measured by an optoacoustic measuring device according to a second embodiment of the present invention is to irradiate a chirped signal emitted through a light source to an optical diffusion medium and position it inside the optical diffusion medium Absorbing the light absorber; measuring a photoacoustic signal generated from the optical absorber due to the chirped signal using a photoacoustic meter; and a processing device connected to the light source and the photoacoustic meter receives the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter, performs matched filtering on the photoacoustic signal in the frequency domain, and matches the filtered photoacoustic signal Calculating; includes, wherein the envelope of the chirped signal emitted through the light source is constant over time, and the calculating of the matched-filtered optoacoustic signal includes, by the processing device, a chirped signal using the chirped signal. calculating a spectrum; and at least one of the spatial photoacoustic spectrum determined according to the transfer function of the photoacoustic meter, the shape of the photoacoustic meter, and the shape of the light absorber, by the processing device, multiplied by the chirp signal spectrum. , performing matched filtering processing on the photoacoustic signal.

상기 처프신호 스펙트럼을 산출하는 단계는, 상기 처리장치가 상기 처프신호를 푸리에 변환하여 상기 처프신호 스펙트럼을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.The calculating of the chirped signal spectrum may include calculating, by the processing device, the chirped signal spectrum by Fourier transforming the chirped signal.

또는, 상기 처프신호 스펙트럼을 산출하는 단계는, 상기 처리장치가 상기 처프신호에서 상기 처프신호의 DC 성분을 제거하여 DC 성분이 제거된 처프신호 스펙트럼을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.Alternatively, the calculating of the chirped signal spectrum may include calculating, by the processing device, a chirped signal spectrum from which the DC component is removed by removing the DC component of the chirp signal from the chirp signal.

상기 광원을 통해 방출되는 처프신호의 주파수 범위는, 상기 광음향 측정기의 전달함수와, 상기 광음향 측정기의 모양 및 상기 광 흡수체의 모양에 따라 결정되는 공간적 광음향 스펙트럼을 곱한 값의 절대값이 최대가 되는 주파수를 포함할 수 있다.The frequency range of the chirped signal emitted through the light source is the absolute value of the value obtained by multiplying the transfer function of the photoacoustic meter and the spatial photoacoustic spectrum determined according to the shape of the photoacoustic meter and the shape of the light absorber. It may include a frequency that becomes

또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법은, 광원을 통해 방출되는 변조 처프신호를 광 확산매체에 조사하여 상기 광 확산매체의 내부에 위치하는 광 흡수체에 흡수시키는 단계; 광음향 측정기를 이용하여 상기 변조 처프신호로 인해 상기 광 흡수체에서 발생하는 광음향 신호를 측정하는 단계; 및 상기 광원 및 상기 광음향 측정기와 연결되는 처리장치가 상기 광음향 측정기에 의해 측정된 광음향 신호를 입력받아, 상기 광음향 신호를 주파수 영역에서 정합 필터링 처리를 수행하여 정합 필터링된 광음향 신호를 산출하는 단계를 포함하며, 상기 광원을 통해 방출되는 변조 처프신호는 시간에 따라 포락선이 변하는 것일 수 있다.In addition, in the method for improving the signal-to-noise ratio of the photoacoustic signal measured by the optoacoustic measuring device according to the third embodiment of the present invention, the optical diffusion medium is irradiated with a modulated chirped signal emitted through a light source to the optical diffusion medium. Absorbing the light absorber located therein; measuring a photoacoustic signal generated from the optical absorber due to the modulated chirp signal using a photoacoustic meter; and a processing device connected to the light source and the photoacoustic meter receives the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter, performs matched filtering on the photoacoustic signal in the frequency domain, and matches the filtered photoacoustic signal and calculating, wherein the modulated chirp signal emitted through the light source may have an envelope that changes with time.

상기 정합 필터링된 광음향 신호를 산출하는 단계는, 상기 처리장치가 상기 변조 처프신호를 푸리에 변환하여 변조 처프신호 스펙트럼을 산출하는 단계; 및 상기 처리장치가 상기 변조 처프신호 스펙트럼을 이용하여, 상기 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.Calculating the matched-filtered photoacoustic signal may include: calculating, by the processing device, a modulated chirped signal spectrum by Fourier transforming the modulated chirped signal; and performing, by the processing device, matched filtering processing on the photoacoustic signal by using the modulated chirped signal spectrum.

또는, 상기 정합 필터링된 광음향 신호를 산출하는 단계는, 상기 처리장치가 상기 변조 처프신호에서 상기 변조 처프신호의 DC 성분을 제거하여 DC 성분이 제거된 변조 처프신호 스펙트럼을 산출하는 단계; 및 상기 처리장치가 상기 DC 성분이 제거된 변조 처프신호 스펙트럼을 이용하여, 상기 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.Alternatively, the calculating of the matched filtered optoacoustic signal may include: calculating, by the processing device, a modulated chirped signal spectrum from which the DC component is removed by removing the DC component of the modulated chirp signal from the modulated chirp signal; and performing, by the processing device, a matched filtering process on the photoacoustic signal by using the modulated chirp signal spectrum from which the DC component is removed.

또는, 상기 정합 필터링된 광음향 신호를 산출하는 단계는, 상기 처리장치가 상기 변조 처프신호를 이용하여 변조 처프신호 스펙트럼을 산출하는 단계; 및 상기 처리장치가 상기 광음향 측정기의 전달함수와, 상기 광음향 측정기의 모양 및 상기 광 흡수체의 모양에 따라 결정되는 공간적 광음향 스펙트럼 중 적어도 어느 하나를, 상기 변조 처프신호 스펙트럼에 곱한 값을 이용하여, 상기 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.Alternatively, the calculating of the matched filtered photoacoustic signal may include: calculating, by the processing device, a modulated chirped signal spectrum using the modulated chirp signal; and a value obtained by multiplying, by the processing device, at least one of a transfer function of the photoacoustic meter, a spatial photoacoustic spectrum determined according to a shape of the photoacoustic meter and a shape of the light absorber, by the modulated chirped signal spectrum. Thus, the method may include performing matched filtering processing on the photoacoustic signal.

여기서, 상기 변조 처프신호 스펙트럼을 산출하는 단계는, 상기 처리장치가 상기 변조 처프신호를 푸리에 변환하여 상기 변조 처프신호 스펙트럼을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.Here, the calculating of the modulated chirp signal spectrum may include calculating, by the processing device, the modulated chirp signal spectrum by Fourier transforming the modulated chirp signal.

또는, 상기 변조 처프신호 스펙트럼을 산출하는 단계는, 상기 처리장치가 상기 변조 처프신호에서 상기 변조 처프신호의 DC 성분을 제거하여 DC 성분이 제거된 변조 처프신호 스펙트럼을 산출하는 단계; 및 상기 처리장치가 상기 DC 성분이 제거된 변조 처프신호 스펙트럼을 이용하여, 상기 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.Alternatively, the calculating of the modulated chirp signal spectrum may include: calculating, by the processing device, a modulated chirped signal spectrum from which the DC component is removed by removing the DC component of the modulated chirp signal from the modulated chirp signal; and performing, by the processing device, a matched filtering process on the photoacoustic signal by using the modulated chirp signal spectrum from which the DC component is removed.

상기 광원을 통해 방출되는 변조 처프신호의 주파수 범위는, 상기 광음향 측정기의 전달함수와, 상기 광음향 측정기의 모양 및 상기 광 흡수체의 모양에 따라 결정되는 공간적 광음향 스펙트럼을 곱한 값의 절대값이 최대가 되는 주파수를 포함할 수 있다.The frequency range of the modulated chirped signal emitted through the light source is an absolute value of a value obtained by multiplying a transfer function of the photoacoustic meter and a spatial photoacoustic spectrum determined according to the shape of the photoacoustic meter and the shape of the light absorber. The maximum frequency may be included.

본 발명에 의하면, 처리장치가 광음향 신호를 주파수 영역에서 정합 필터링 처리를 수행함에 있어서, DC 성분이 제거된 처프신호 스펙트럼을 이용하거나, 광음향 측정기의 전달함수와 광음향 측정기의 모양 및 광 흡수체의 모양에 따라 결정되는 공간적 광음향 스펙트럼 중 적어도 어느 하나를 처프신호 스펙트럼에 곱한 값을 이용하거나, 시간에 따라 포락선이 변하는 변조 처프신호를 이용하도록 구성됨에 따라, 광 흡수체에서 발생되어 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있는 이점이 있다. According to the present invention, when the processing device performs matched filtering processing on the photoacoustic signal in the frequency domain, the chirp signal spectrum from which the DC component is removed is used, or the transfer function of the photoacoustic meter, the shape of the photoacoustic meter, and the light absorber are used. As it is configured to use a value obtained by multiplying the chirp signal spectrum by at least any one of the spatial photoacoustic spectra determined according to the shape of There is an advantage in that the signal-to-noise ratio of the measured optoacoustic signal can be improved.

또한, 본 발명에 의하면, 처프신호를 광 확산매체에 조사되는 입사빔으로 사용하도록 구성됨에 따라, 펄스형 이외의 연속적으로 작동하는 저가 및 소형의 광원을 이용할 수 있고, 광 확산매체 또는 광 흡수체의 실시간 모니터링과 같은 빠른 측정이 가능하다는 이점이 있다. In addition, according to the present invention, since the chirp signal is configured to be used as an incident beam irradiated to the light diffusion medium, a low-cost and small-sized light source that operates continuously other than the pulse type can be used, and the light diffusion medium or the light absorber It has the advantage of being able to perform fast measurements such as real-time monitoring.

도 1은 본 발명에 따른 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법을 실현하는 장치의 개략도이다.
도 2는 중심 주파수가 3MHz인 광음향 측정기의 전달함수

Figure 112020021307672-pat00001
의 특성을 나타낸 도면이다.
도 3은 광음향 측정기의 모양 및 광 흡수체의 모양에 따라 결정되는 공간적 광음향 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00002
의 특성을 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 광원을 통해 방출되는 처프신호의 중심 주파수 νc가 3MHz이고, 대역폭 bT가 4MHz인 처프신호 Ic(t)를 예시적으로 나타낸 그래프이다.
도 5는 도 4에 나타낸 처프신호를 푸리에 변환한 결과인 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00003
를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 7은 도 5에 나타낸 처프신호에서 DC 성분이 제거된 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00004
를 나타낸 도면이다.
도 8은 주파수가 1MHz에서 5MHz까지 변하는 처프신호 Ic(t)가 광 흡수체에 흡수될 경우, 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호를 처리장치가
Figure 112020021307672-pat00005
Figure 112020021307672-pat00006
로 각각 정합 필터링 처리를 수행하였을 때 산출되는 정합 필터링된 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다.
도 9는 선폭 T=1msec이고 주파수가 1MHz에서 5MHz까지 변하는 처프신호 Ic(t)가 광 흡수체에 흡수될 경우, 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호를 처리장치가
Figure 112020021307672-pat00007
Figure 112020021307672-pat00008
로 각각 정합 필터링 처리를 수행하였을 때 획득되는 노이즈가 포함된 광음향 신호 파형을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 11은 광음향 측정기의 전달함수
Figure 112020021307672-pat00009
와, 광음향 측정기의 모양 및 광 흡수체의 모양에 따라 결정되는 공간적 광음향 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00010
의 곱에 절대값을 취한 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 12는 주파수가 1MHz에서 5MHz까지 변하는 처프신호가 광 흡수체에 흡수될 경우, 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호를 처리장치가
Figure 112020021307672-pat00011
,
Figure 112020021307672-pat00012
Figure 112020021307672-pat00013
로 각각 정합 필터링 처리를 수행하였을 때 산출되는 정합 필터링된 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다.
도 13은 주파수가 1MHz에서 5MHz까지 변하는 처프신호가 광 흡수체에 흡수될 경우, 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호를 처리장치가
Figure 112020021307672-pat00014
,
Figure 112020021307672-pat00015
Figure 112020021307672-pat00016
로 각각 정합 필터링 처리를 수행하였을 때 산출되는 정합 필터링된 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 15는 시간에 따라 포락선이 변하는 변조 처프신호
Figure 112020021307672-pat00017
를 예시적으로 나타낸 그래프이다.
도 16a는 도 15에 표시된 (a)부분을 확대하여 나타낸 그래프이고, 도 16b는 도 15에 표시된 (b)부분을 확대하여 나타낸 그래프이다.
도 17은 주파수가 1MHz에서 5MHz까지 변하는 변조 처프신호가 광 흡수체에 흡수될 경우, 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호를 처리장치가
Figure 112020021307672-pat00018
,
Figure 112020021307672-pat00019
Figure 112020021307672-pat00020
로 각각 정합 필터링 처리를 수행하였을 때 산출되는 정합 필터링된 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다.
도 18은 주파수가 1MHz에서 5MHz까지 변하는 변조 처프신호가 광 흡수체에 흡수될 경우, 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호를 처리장치가
Figure 112020021307672-pat00021
,
Figure 112020021307672-pat00022
Figure 112020021307672-pat00023
로 각각 정합 필터링 처리를 수행하였을 때 산출되는 정합 필터링된 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다.
도 19는 주파수가 1MHz에서 5MHz까지 변하는 변조 처프신호가 광 흡수체에 흡수될 경우, 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호를 처리장치가
Figure 112020021307672-pat00024
,
Figure 112020021307672-pat00025
,
Figure 112020021307672-pat00026
Figure 112020021307672-pat00027
로 각각 정합 필터링 처리를 수행하였을 때 산출되는 정합 필터링된 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다.
도 20은 주파수가 1.5MHz에서 4MHz까지 변하는 변조 처프신호가 광 흡수체에 흡수될 경우, 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호를 처리장치가
Figure 112020021307672-pat00028
,
Figure 112020021307672-pat00029
Figure 112020021307672-pat00030
로 각각 정합 필터링 처리를 수행하였을 때 산출되는 정합 필터링된 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다.
도 21은 주파수가 1.5MHz에서 4MHz까지 변하는 변조 처프신호가 광 흡수체에 흡수될 경우, 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호를 처리장치가
Figure 112020021307672-pat00031
,
Figure 112020021307672-pat00032
,
Figure 112020021307672-pat00033
Figure 112020021307672-pat00034
로 각각 정합 필터링 처리를 수행하였을 때 산출되는 정합 필터링된 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다. 1 is a schematic diagram of an apparatus for realizing a method for improving a signal-to-noise ratio of an optoacoustic signal measured by an optoacoustic meter according to the present invention;
2 is a transfer function of a photoacoustic meter having a center frequency of 3 MHz;
Figure 112020021307672-pat00001
A diagram showing the characteristics of
3 is a spatial photoacoustic spectrum determined according to the shape of the photoacoustic meter and the shape of the light absorber.
Figure 112020021307672-pat00002
A diagram showing the characteristics of
4A and 4B are graphs exemplarily illustrating a chirp signal I c (t) having a center frequency ν c of 3 MHz and a bandwidth bT of 4 MHz of a chirped signal emitted through a light source.
5 is a chirped signal spectrum that is a result of Fourier transform of the chirped signal shown in FIG.
Figure 112020021307672-pat00003
is a diagram showing
6 is a flowchart illustrating a method of improving a signal-to-noise ratio of an optoacoustic signal measured by an optoacoustic meter according to the first embodiment of the present invention.
7 is a chirp signal spectrum from which the DC component is removed from the chirp signal shown in FIG. 5;
Figure 112020021307672-pat00004
is a diagram showing
FIG. 8 shows that when a chirp signal I c (t) whose frequency varies from 1 MHz to 5 MHz is absorbed by the optical absorber, the processing device processes the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter.
Figure 112020021307672-pat00005
and
Figure 112020021307672-pat00006
It is a diagram showing the signal-to-noise ratio of the matched-filtered optoacoustic signal calculated when each matched filtering process is performed.
9 shows that when a chirp signal I c (t) having a line width T = 1 msec and a frequency of 1 MHz to 5 MHz is absorbed by the optical absorber, the processing device processes the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter.
Figure 112020021307672-pat00007
and
Figure 112020021307672-pat00008
It is a diagram showing a photoacoustic signal waveform including noise obtained when each matched filtering process is performed.
10 is a flowchart illustrating a method of improving a signal-to-noise ratio of an optoacoustic signal measured by an optoacoustic meter according to a second embodiment of the present invention.
11 is a transfer function of the photoacoustic meter
Figure 112020021307672-pat00009
and spatial photoacoustic spectrum determined by the shape of the photoacoustic meter and the shape of the light absorber
Figure 112020021307672-pat00010
It is a diagram showing the spectrum obtained by taking the absolute value of the product of .
FIG. 12 shows that when a chirp signal whose frequency varies from 1 MHz to 5 MHz is absorbed by the optical absorber, the processing device processes the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter.
Figure 112020021307672-pat00011
,
Figure 112020021307672-pat00012
and
Figure 112020021307672-pat00013
It is a diagram showing the signal-to-noise ratio of the matched-filtered optoacoustic signal calculated when each matched filtering process is performed.
13 shows that when a chirp signal whose frequency varies from 1 MHz to 5 MHz is absorbed by the optical absorber, the processing device processes the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter.
Figure 112020021307672-pat00014
,
Figure 112020021307672-pat00015
and
Figure 112020021307672-pat00016
It is a diagram showing the signal-to-noise ratio of the matched-filtered optoacoustic signal calculated when each matched filtering process is performed.
14 is a flowchart illustrating a method of improving a signal-to-noise ratio of an optoacoustic signal measured by an optoacoustic meter according to a third embodiment of the present invention.
15 is a modulated chirp signal whose envelope changes with time.
Figure 112020021307672-pat00017
It is a graph showing by way of example.
FIG. 16A is an enlarged graph of part (a) shown in FIG. 15 , and FIG. 16B is an enlarged graph showing part (b) shown in FIG. 15 .
17 shows that when a modulated chirp signal whose frequency varies from 1 MHz to 5 MHz is absorbed by the optical absorber, the processing device processes the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter.
Figure 112020021307672-pat00018
,
Figure 112020021307672-pat00019
and
Figure 112020021307672-pat00020
It is a diagram showing the signal-to-noise ratio of the matched-filtered optoacoustic signal calculated when each matched filtering process is performed.
18 shows that when a modulated chirp signal whose frequency varies from 1 MHz to 5 MHz is absorbed by the optical absorber, the processing device processes the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter.
Figure 112020021307672-pat00021
,
Figure 112020021307672-pat00022
and
Figure 112020021307672-pat00023
It is a diagram showing the signal-to-noise ratio of the matched-filtered optoacoustic signal calculated when each matched filtering process is performed.
19 shows that when a modulated chirp signal whose frequency varies from 1 MHz to 5 MHz is absorbed by the optical absorber, the processing device processes the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter.
Figure 112020021307672-pat00024
,
Figure 112020021307672-pat00025
,
Figure 112020021307672-pat00026
and
Figure 112020021307672-pat00027
It is a diagram showing the signal-to-noise ratio of the matched-filtered optoacoustic signal calculated when each matched filtering process is performed.
FIG. 20 shows that when a modulated chirp signal whose frequency varies from 1.5 MHz to 4 MHz is absorbed by the optical absorber, the processing device processes the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter.
Figure 112020021307672-pat00028
,
Figure 112020021307672-pat00029
and
Figure 112020021307672-pat00030
It is a diagram showing the signal-to-noise ratio of the matched-filtered optoacoustic signal calculated when each matched filtering process is performed.
FIG. 21 shows that when a modulated chirp signal whose frequency varies from 1.5 MHz to 4 MHz is absorbed by the optical absorber, the processing device processes the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter.
Figure 112020021307672-pat00031
,
Figure 112020021307672-pat00032
,
Figure 112020021307672-pat00033
and
Figure 112020021307672-pat00034
It is a diagram showing the signal-to-noise ratio of the matched-filtered optoacoustic signal calculated when each matched filtering process is performed.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법에 대해 상세하게 설명한다. 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대해서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. Hereinafter, a method of improving the signal-to-noise ratio of the photoacoustic signal measured by the photoacoustic measuring device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Detailed descriptions of well-known functions and configurations that may unnecessarily obscure the gist of the present invention will be omitted.

도 1은 본 발명에 따른 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법을 실현하는 장치의 개략도로서, 상기 장치는 광원(100), 광음향 측정기(200) 및 처리장치(300)를 포함하여 이루어질 수 있다. 1 is a schematic diagram of an apparatus for realizing a method for improving a signal-to-noise ratio of an optoacoustic signal measured by an optoacoustic meter according to the present invention, wherein the apparatus includes a light source 100, a photoacoustic meter 200 and a processing device ( 300) may be included.

광원(100)에서는 입사빔을 방출하며, 광원(100)을 통해 방출되는 입사빔은 광 확산매체(10)에 조사된다. 광원(100)에서 방출하는 입사빔은 후술하는 바와 같이 처프신호일 수 있다. The light source 100 emits an incident beam, and the incident beam emitted through the light source 100 is irradiated to the light diffusion medium 10 . The incident beam emitted from the light source 100 may be a chirped signal as will be described later.

광원(100)에서 방출되어 광 확산매체(10)에 조사되는 입사빔은 광 확산매체(10) 내에서 전파 및 확산되며, 광 확산매체(10)의 유효산란계수(μeff)에 의해 그 세기가 지수적으로 감쇄되면서 광 흡수체(20)의 표면에 도달하게 된다. The incident beam emitted from the light source 100 and irradiated to the light diffusion medium 10 propagates and diffuses in the light diffusion medium 10 , and its intensity is determined by the effective scattering coefficient μ eff of the light diffusion medium 10 . is exponentially attenuated and reaches the surface of the light absorber 20 .

광원(100)에서 입사빔이 방출될 경우 그 입사빔의 세기는 시간에 따라 변하게 되며, 이때 광 확산매체(10)의 내부에 위치하는 광 흡수체(20)에서는 상기 입사빔을 흡수함에 따라 열 팽창 현상으로 인해 물리적으로 팽창과 수축을 반복하게 되고, 이 과정에서 광 흡수체(20)에서는 광음향 신호(예를 들어, 초음파 신호)가 발생하게 된다. When an incident beam is emitted from the light source 100 , the intensity of the incident beam changes with time. At this time, the light absorber 20 positioned inside the light diffusion medium 10 absorbs the incident beam and thermally expands. Due to the phenomenon, expansion and contraction are physically repeated, and in this process, a photoacoustic signal (eg, an ultrasonic signal) is generated from the light absorber 20 .

광음향 측정기(200)는 광 확산매체(10)의 외부에 위치하여, 광 흡수체(20)에서 발생하는 광음향 신호를 측정한다. 이때 광음향 측정기(200)가 측정하는 광음향 신호에는 광 흡수체(20)에서 발생하는 이상적인 광음향 신호(여기서, 이상적인 광음향 신호는 잡음이 포함되지 않은 광음향 신호를 의미함)과 잡음(즉, 후술하는 광음향 잡음값)이 혼합되어 있다. The photoacoustic measuring device 200 is located outside the optical diffusion medium 10 and measures the photoacoustic signal generated from the optical absorber 20 . At this time, the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200 includes an ideal photoacoustic signal generated by the light absorber 20 (here, the ideal photoacoustic signal means a photoacoustic signal that does not contain noise) and noise (that is, , optoacoustic noise values to be described later) are mixed.

광원(100)에서 I(t)의 세기를 갖는 입사빔이 방출되어 광 확산매체(10)에 조사될 경우, 광 확산매체(10)의 내부에 위치하는 광 흡수체(20)에 흡수되는 광 에너지의 공간적 분포가

Figure 112020021307672-pat00035
로 나타난다고 가정하기로 한다. 상기 광 흡수체(20)에 흡수되는 광 에너지의 공간적 분포
Figure 112020021307672-pat00036
에서
Figure 112020021307672-pat00037
는 광 확산매체(10)의 임의의 원점(도 1의 ○)에서 광 흡수체(20)까지의 벡터를 나타낸다. When an incident beam having an intensity of I(t) is emitted from the light source 100 and irradiated to the light diffusion medium 10 , the light energy absorbed by the light absorber 20 positioned inside the light diffusion medium 10 . the spatial distribution of
Figure 112020021307672-pat00035
It is assumed that it appears as Spatial distribution of light energy absorbed by the light absorber 20 .
Figure 112020021307672-pat00036
at
Figure 112020021307672-pat00037
denotes a vector from an arbitrary origin (circle in FIG. 1 ) of the light diffusion medium 10 to the light absorber 20 .

그리고 광 확산매체(10)의 외부에 위치하며, 구면 초점을 갖는 광음향 측정기(200)의 표면 분포 함수를

Figure 112020021307672-pat00038
라고 가정하기로 한다. 상기 광음향 측정기(200)의 표면 분포 함수
Figure 112020021307672-pat00039
에서
Figure 112020021307672-pat00040
는 광 확산매체(10)의 임의의 원점(도 1의 ○)에서 광음향 측정기(200) 표면까지의 벡터를 나타낸다. And located outside the light diffusion medium 10, the surface distribution function of the photoacoustic meter 200 having a spherical focus
Figure 112020021307672-pat00038
to assume that Surface distribution function of the photoacoustic meter 200
Figure 112020021307672-pat00039
at
Figure 112020021307672-pat00040
denotes a vector from an arbitrary origin of the light diffusion medium 10 (circle in FIG. 1 ) to the surface of the photoacoustic meter 200 .

이 경우 광 흡수체(20)에서 발생하여 광음향 측정기(200)에 의해 측정되는 광음향 신호 g(t)는 헬름홀츠(Helmholtz) 방정식의 그린(Green) 함수의 해에 의해 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다. In this case, the photoacoustic signal g(t) generated in the light absorber 20 and measured by the photoacoustic measuring device 200 is obtained as the following Equation 1 by the solution of the Green function of the Helmholtz equation. can indicate

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112020021307672-pat00041
Figure 112020021307672-pat00041

수학식 1에서 Γ는 그루나이젠 상수이고, cs는 초음파의 속력으로서, 이하의 시뮬레이션에서는 통상적인 생체 조직(광 확산매체)을 고려하여 Γ를 0.24, cs를 1500m/s로 정하였다. 또한, 수학식 1에서 d3ro는 광 확산매체(10)의 임의의 원점(도 1의 ○)에서 광 흡수체(20)까지의 3차원 적분을 위한 적분 기호이고, d3rd는 광 확산매체(10)의 임의의 원점(도 1의 ○)에서 광음향 측정기(200) 표면까지의 3차원 적분을 위한 적분 기호이다. In Equation 1, Γ is the Gruneigen constant, c s is the speed of ultrasound, and in the following simulation, Γ is set to 0.24 and c s to 1500 m/s in consideration of a typical living tissue (light diffusion medium). In addition, in Equation 1, d 3 r o is an integral symbol for three-dimensional integration from an arbitrary origin (circle in FIG. 1 ) of the light diffusion medium 10 to the light absorber 20 , and d 3 r d is the light It is an integral symbol for three-dimensional integration from the arbitrary origin of the diffusion medium 10 (circle in FIG. 1 ) to the surface of the photoacoustic meter 200 .

수학식 1에서 광 흡수체(20)에 흡수되는 광 에너지의 공간적 분포

Figure 112020021307672-pat00042
는 다음의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.Spatial distribution of light energy absorbed by the light absorber 20 in Equation 1
Figure 112020021307672-pat00042
can be expressed as in Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112020021307672-pat00043
Figure 112020021307672-pat00043

수학식 2에서 μa는 광 흡수체(20)의 광 흡수 계수이고,

Figure 112020021307672-pat00044
는 공간적으로 분포한 광 흡수체(20)를 나타내는 함수로서, 이하의 시뮬레이션에서는 반지름이 2mm인 구형으로 가정하였다. 수학식 2에 나타낸 바와 같이, 광 흡수 분포는 생체 조직에 조사되는 입사빔이 생체 조직에 의한 산란 때문에 깊이 z에 따라 지수함수적으로 감소한다고 가정하였다.In Equation 2, μ a is the light absorption coefficient of the light absorber 20,
Figure 112020021307672-pat00044
is a function representing the spatially distributed light absorber 20, and in the following simulation, it is assumed to be a sphere with a radius of 2 mm. As shown in Equation 2, it is assumed that the light absorption distribution decreases exponentially with the depth z due to scattering of the incident beam irradiated to the living tissue by the living tissue.

수학식 1에서 입사빔의 세기

Figure 112020021307672-pat00045
임을 고려하면, 수학식 1은 다음의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다. 여기서,
Figure 112020021307672-pat00046
는 입사빔의 세기 I(t)를 주파수 영역에서 푸리에 변환한 입사빔 스펙트럼이고, ν는 주파수를, t는 시간을 나타낸다. In Equation 1, the intensity of the incident beam
Figure 112020021307672-pat00045
Considering that , Equation 1 can be expressed as Equation 3 below. here,
Figure 112020021307672-pat00046
is the incident beam spectrum obtained by Fourier transforming the intensity I(t) of the incident beam in the frequency domain, ν is the frequency, and t is the time.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112020021307672-pat00047
Figure 112020021307672-pat00047

광음향 측정기(200)의 전달함수를

Figure 112020021307672-pat00048
라 하고, 수학식 3의 광음향 신호 g(t)를 주파수 영역에서 나타내면, 다음의 수학식 4와 같은 광음향 신호의 스펙트럼(즉, 광음향 스펙트럼)
Figure 112020021307672-pat00049
을 획득할 수 있다. The transfer function of the photoacoustic meter 200
Figure 112020021307672-pat00048
And, if the photoacoustic signal g(t) of Equation 3 is expressed in the frequency domain, the spectrum of the photoacoustic signal as in Equation 4 (ie, the photoacoustic spectrum)
Figure 112020021307672-pat00049
can be obtained.

[수학식 4] [Equation 4]

Figure 112020021307672-pat00050
Figure 112020021307672-pat00050

수학식 4에 나타낸 바와 같이, 광음향 측정기(200)에 의해 측정되는 광음향 신호의 스펙트럼에는 광음향 측정기(200)의 전달함수

Figure 112020021307672-pat00051
가 곱해져야 한다.As shown in Equation 4, the spectrum of the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200 has a transfer function of the photoacoustic meter 200 .
Figure 112020021307672-pat00051
should be multiplied by

수학식 4에서

Figure 112020021307672-pat00052
는 다음의 수학식 5와 같이 정의하였다. in Equation 4
Figure 112020021307672-pat00052
is defined as in Equation 5 below.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112020021307672-pat00053
Figure 112020021307672-pat00053

수학식 5는 광 흡수체(20)의 한 점

Figure 112020021307672-pat00054
에서 발생하는 광음향 신호가 표면 분포 함수
Figure 112020021307672-pat00055
를 갖는 광음향 측정기(200)에 의해 측정되는 값을 나타낸다. 한편, 수학식 5에서 k는 초음파의 파수이다(
Figure 112020021307672-pat00056
). Equation 5 is a point of the light absorber 20
Figure 112020021307672-pat00054
The photoacoustic signal generated from the surface distribution function
Figure 112020021307672-pat00055
represents a value measured by the photoacoustic meter 200 having . Meanwhile, in Equation 5, k is the wave number of ultrasound (
Figure 112020021307672-pat00056
).

통상적인 광음향 측정에서는 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호에 대해 주파수 영역에서 정합 필터링 처리를 수행하며, 이러한 정합 필터링 처리는 처리장치(300)에 의해 이루어질 수 있다. 처리장치(300)에 의해 이루어지는 정합 필터링 처리는, 수학식 4로 측정되는 광음향 스펙트럼

Figure 112020021307672-pat00057
에, 정합 필터링 함수
Figure 112020021307672-pat00058
의 컨쥬케이트인
Figure 112020021307672-pat00059
를 곱함으로써 이루어질 수 있다. 따라서, 처리장치(300)에 의해 정합 필터링 처리가 이루어진 최종적인 광음향 스펙트럼은 다음의 수학식 6과 같다. In a typical photoacoustic measurement, matched filtering processing is performed in the frequency domain on the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200 , and this matched filtering process may be performed by the processing device 300 . The matched filtering process performed by the processing device 300 is the photoacoustic spectrum measured by Equation (4)
Figure 112020021307672-pat00057
In, the matched filtering function
Figure 112020021307672-pat00058
a conjugate of
Figure 112020021307672-pat00059
This can be done by multiplying Accordingly, the final photoacoustic spectrum subjected to the matched filtering process by the processing device 300 is expressed by the following Equation (6).

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112020021307672-pat00060
Figure 112020021307672-pat00060

참고로, 기존의 주파수 영역 광음향 측정에서는 정합 필터링을 위해 정합 필터링 함수

Figure 112020021307672-pat00061
를 적용해왔으며, 여기서
Figure 112020021307672-pat00062
는 입사빔 스펙트럼으로서, 이는 입사빔의 세기 I(t)를 주파수 영역에서 푸리에 변환한 것이다. For reference, in the conventional frequency domain photoacoustic measurement, the matched filtering function is used for matched filtering.
Figure 112020021307672-pat00061
has been applied, where
Figure 112020021307672-pat00062
is the incident beam spectrum, which is a Fourier transform of the intensity I(t) of the incident beam in the frequency domain.

수학식 6에서 대괄호 부분인

Figure 112020021307672-pat00063
은 광음향 측정기(200)의 모양 및 광 흡수체(20)의 모양에 따라 결정되는 공간적 광음향 스펙트럼을 의미하며, 이하에서는 이를
Figure 112020021307672-pat00064
로 정의하기로 한다. In Equation 6, the square bracket part
Figure 112020021307672-pat00063
denotes a spatial photoacoustic spectrum determined according to the shape of the photoacoustic meter 200 and the shape of the light absorber 20 , which
Figure 112020021307672-pat00064
to be defined as

정합 필터링된 잡음이 없는 이상적인 광음향 스펙트럼

Figure 112020021307672-pat00065
는 다음의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다. Ideal optoacoustic spectrum without matched filtered noise
Figure 112020021307672-pat00065
can be expressed as in Equation 7 below.

[수학식 7] [Equation 7]

Figure 112020021307672-pat00066
Figure 112020021307672-pat00066

한편, 광음향 측정 시에는 광음향 열 잡음과 같은 광음향 잡음이 항상 존재하기 마련이며, 이러한 정합 필터링된 광음향 잡음 스펙트럼

Figure 112020021307672-pat00067
은 다음의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다. On the other hand, in photoacoustic measurement, optoacoustic noise such as optoacoustic thermal noise always exists, and this matched-filtered optoacoustic noise spectrum
Figure 112020021307672-pat00067
can be expressed as in Equation 8 below.

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112020021307672-pat00068
Figure 112020021307672-pat00068

수학식 8에서

Figure 112020021307672-pat00069
는 광음향 잡음 스펙트럼이며,
Figure 112020021307672-pat00070
는 정합 필터링 함수이다. in Equation 8
Figure 112020021307672-pat00069
is the optoacoustic noise spectrum,
Figure 112020021307672-pat00070
is the matched filtering function.

수학식 7 및 수학식 8에 의해, 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비는 다음의 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다. By Equation 7 and Equation 8, the signal-to-noise ratio of the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200 can be expressed as Equation 9 below.

[수학식 9][Equation 9]

Figure 112020021307672-pat00071
Figure 112020021307672-pat00071

수학식 9에서 분자는 주파수 영역에서 이상적인 광음향 신호의 최대값을 의미하고, 분모는 주파수 영역에서 광음향 잡음의 시간 평균을 나타낸다(즉, 광음향 잡음값의 분산). In Equation 9, the numerator means the maximum value of the ideal optoacoustic signal in the frequency domain, and the denominator represents the time average of the optoacoustic noise in the frequency domain (ie, dispersion of the optoacoustic noise value).

한편, 수학식 7에서 광음향 측정기(200)의 전달함수

Figure 112020021307672-pat00072
의 특성은 광음향 측정기(200)가 압전(piezo) 물질로 광음향을 측정하는 타입인 경우, KLM(KrimholtLeedom Matthaei) 모델로 잘 묘사된다고 알려져 있다. 이 KLM 모델에 의해 중심 주파수가 3MHz인 광음향 측정기(200)의 전달함수
Figure 112020021307672-pat00073
가 도 2에 나타나 있다. 도 2에서 Re[
Figure 112020021307672-pat00074
]는 전달함수의 실수부, Im[
Figure 112020021307672-pat00075
]는 전달함수의 허수부이며,
Figure 112020021307672-pat00076
는 전달함수의 크기이다. On the other hand, in Equation 7, the transfer function of the photoacoustic meter 200
Figure 112020021307672-pat00072
It is known that when the photoacoustic meter 200 is a type that measures photoacoustic with a piezo material, it is well described by a KrimholtLeedom Matthaei (KLM) model. The transfer function of the photoacoustic meter 200 with a center frequency of 3 MHz by this KLM model
Figure 112020021307672-pat00073
is shown in FIG. 2 . In Figure 2 Re[
Figure 112020021307672-pat00074
] is the real part of the transfer function, Im[
Figure 112020021307672-pat00075
] is the imaginary part of the transfer function,
Figure 112020021307672-pat00076
is the size of the transfer function.

그리고 초점 거리가 20mm이고, 개구수(NA)가 0.35인 구면 초점을 갖는 광음향 측정기(200)로 반지름이 2mm인 구형 광 흡수체(20)를 측정한

Figure 112020021307672-pat00077
의 크기
Figure 112020021307672-pat00078
Figure 112020021307672-pat00079
의 실수부 Re[
Figure 112020021307672-pat00080
]가 도 3에 나타나 있다. 도 3에 나타낸
Figure 112020021307672-pat00081
의 실수부 Re[
Figure 112020021307672-pat00082
]는
Figure 112020021307672-pat00083
가 광음향 측정기(200)의 초점 거리에 해당하는 위상이 더해지므로 빠르게 진동한다는 것을 보여준다. In addition, a spherical light absorber 20 having a radius of 2 mm was measured with a photoacoustic meter 200 having a focal length of 20 mm and a spherical focus with a numerical aperture (NA) of 0.35.
Figure 112020021307672-pat00077
size of
Figure 112020021307672-pat00078
Wow
Figure 112020021307672-pat00079
The real part of Re[
Figure 112020021307672-pat00080
] is shown in FIG. 3 . shown in FIG. 3
Figure 112020021307672-pat00081
The real part of Re[
Figure 112020021307672-pat00082
]Is
Figure 112020021307672-pat00083
It shows that because the phase corresponding to the focal length of the photoacoustic meter 200 is added, it vibrates rapidly.

한편, 광원(100)을 통해 방출되어 광 확산매체(10)에 조사되는 입사빔은 다음의 수학식 10과 같은 처프신호일 수 있다.Meanwhile, the incident beam emitted through the light source 100 and irradiated to the light diffusion medium 10 may be a chirp signal as shown in Equation 10 below.

[수학식 10][Equation 10]

Figure 112020021307672-pat00084
Figure 112020021307672-pat00084

수학식 10에서

Figure 112020021307672-pat00085
는 처프신호의 세기, FFD는 처프신호의 광 방사 노광량(radiant exposure), T는 처프신호의 선폭(duration), νc는 처프신호의 중심 주파수, b는 처프신호의 선형 주파수 증가율, t는 시간, 그리고
Figure 112020021307672-pat00086
는 선폭이 T인 구형 함수를 나타낸다. in Equation 10
Figure 112020021307672-pat00085
is the intensity of the chirp signal, F FD is the radiant exposure of the chirp signal, T is the duration of the chirp signal, ν c is the center frequency of the chirp signal, b is the linear frequency increase rate of the chirp signal, and t is time, and
Figure 112020021307672-pat00086
denotes a spherical function with line width T.

도 4a 및 도 4b는 광원(100)을 통해 방출되는 처프신호의 중심 주파수 νc가 3MHz이고, 대역폭 bT가 4MHz인 처프신호 Ic(t)를 예시적으로 나타낸 그래프이다. 도 4a에서 x축은 시간을, y축은 주파수를 나타내고, 기울기는 처프신호의 선형 주파수 증가율 b를 나타낸다. 도 4b에서 x축은 시간을, y축은 처프신호의 세기를 나타낸다. 그리고 도 4a 및 도 4b에서 T는 처프신호의 선폭을 나타낸다. 이들 도 4a 및 도 4b는 선폭 T 동안 주파수가 점차 증가하고 포락선이 일정한 처프신호를 개략적으로 도시한 것이다. 4A and 4B are graphs exemplarily illustrating a chirp signal I c (t) having a center frequency ν c of 3 MHz and a bandwidth bT of 4 MHz of the chirped signal emitted through the light source 100 . In FIG. 4A, the x-axis represents time, the y-axis represents frequency, and the slope represents the linear frequency increase rate b of the chirp signal. In FIG. 4B , the x-axis represents time, and the y-axis represents the intensity of the chirp signal. And in FIGS. 4A and 4B, T represents the line width of the chirp signal. 4A and 4B schematically show a chirped signal whose frequency is gradually increased and an envelope is constant during the line width T. As shown in FIG.

수학식 10에서 광 방사 노광량은 단위 면적당 허용되는 입사빔(예를 들어, 처프신호)의 에너지를 나타낸다. 이러한 광 방사 노광량은 미국 국립 표준 협회(ANSI)에서 정한 인체 피부에 대한 최대 허용 노광량(maximum permissible exposure)에 따라 최대값이 정해져 있다. 예를 들어 400~1400nm의 파장 영역대에서 선폭이 10-7 ~ 10초 사이의 입사빔에 대한 최대 허용 노광량 FFD는 다음의 수학식 11과 같다.In Equation (10), the amount of light radiation exposure represents energy of an incident beam (eg, a chirped signal) allowed per unit area. The maximum value of such light radiation exposure is determined according to the maximum permissible exposure for human skin set by the American National Standards Institute (ANSI). For example, the maximum allowable exposure amount F FD for an incident beam having a line width between 10 -7 and 10 seconds in a wavelength range of 400 to 1400 nm is expressed by Equation 11 below.

[수학식 11][Equation 11]

Figure 112020021307672-pat00087
Figure 112020021307672-pat00087

수학식 11에서 최대 허용 노광량 FFD의 단위는 [J/m2]이고, CA는 파장에 따라 달라지는 상수인데, 이하의 시뮬레이션에서는 가시광선 파장대인 400~700nm를 가정하여 1로 근사화하였다. 그리고 수학식 11에서 T는 처프신호의 선폭을 나타낸다.In Equation 11, the unit of the maximum allowable exposure dose F FD is [J/m 2 ], and C A is a constant that varies depending on the wavelength. And in Equation 11, T represents the line width of the chirp signal.

도 5는 도 4에 나타낸 중심 주파수 νc가 3MHz이고, 대역폭 bT가 4MHz인 처프신호 Ic(t)를 푸리에 변환한 결과인 처프신호 스펙트럼

Figure 112020021307672-pat00088
를 나타낸 도면이다. 도 5에 나타낸 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00089
는 주파수가 0인 DC 부분의 크기가 주파수가 1~5MHz인 부분의 크기에 비해 매우 크기 때문에 y축을 log10 스케일로 나타내었다. 5 is a chirped signal spectrum that is a result of Fourier transform of a chirp signal I c (t) having a center frequency ν c shown in FIG. 4 and a bandwidth bT of 4 MHz.
Figure 112020021307672-pat00088
is a diagram showing The chirp signal spectrum shown in FIG. 5
Figure 112020021307672-pat00089
shows the y-axis on a log 10 scale because the size of the DC part with frequency 0 is very large compared to the size of the part with a frequency of 1 to 5 MHz.

수학식 7의

Figure 112020021307672-pat00090
,
Figure 112020021307672-pat00091
Figure 112020021307672-pat00092
를 각각 도 2, 도 3 및 도 5에 나타낸 바로 정하고, 적절한 정합 필터링 함수
Figure 112020021307672-pat00093
를 선택하면, 수학식 7 내지 수학식 9를 계산할 수 있다. 이하의 시뮬레이션에서는 수학식 7의
Figure 112020021307672-pat00094
,
Figure 112020021307672-pat00095
Figure 112020021307672-pat00096
를 각각 도 2, 도 3 및 도 5에 나타낸 바로 정하였고, 수학식 8의
Figure 112020021307672-pat00097
은 전체 주파수에서 일정한 백색 가우시안 잡음으로 정하였으며, 그 값을 1×10-7으로 하였다. of Equation 7
Figure 112020021307672-pat00090
,
Figure 112020021307672-pat00091
and
Figure 112020021307672-pat00092
, respectively, as shown in Figs. 2, 3 and 5, and an appropriate matched filtering function
Figure 112020021307672-pat00093
If is selected, Equations 7 to 9 can be calculated. In the following simulation, Equation 7
Figure 112020021307672-pat00094
,
Figure 112020021307672-pat00095
and
Figure 112020021307672-pat00096
was determined as the bars shown in FIGS. 2, 3 and 5, respectively, and in Equation 8
Figure 112020021307672-pat00097
was set as a constant white Gaussian noise at all frequencies, and the value was set to 1×10 -7 .

Figure 112020021307672-pat00098
,
Figure 112020021307672-pat00099
,
Figure 112020021307672-pat00100
Figure 112020021307672-pat00101
이 위에서 정한 바와 달라지게 되면 수학식 9에서 나타낸 광음향 신호의 신호 대 잡음비의 계산값은 변할 수 있다. 하지만 이 경우에도 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있는 본 발명의 기술적 사상은 그대로 적용된다.
Figure 112020021307672-pat00098
,
Figure 112020021307672-pat00099
,
Figure 112020021307672-pat00100
and
Figure 112020021307672-pat00101
If this is different from the above, the calculated value of the signal-to-noise ratio of the photoacoustic signal shown in Equation 9 may change. However, even in this case, the technical idea of the present invention capable of improving the signal-to-noise ratio of the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200 is applied as it is.

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법을 나타낸 흐름도이다. 6 is a flowchart illustrating a method of improving a signal-to-noise ratio of an optoacoustic signal measured by an optoacoustic meter according to the first embodiment of the present invention.

본 발명의 제1 실시예에 따른 방법은, 우선 광원(100)을 통해 방출되는 처프신호

Figure 112020021307672-pat00102
를 광 확산매체(10)에 조사하여 상기 광 확산매체(10)의 내부에 위치하는 광 흡수체(20)에 흡수시키는 단계가 이루어진다(S110). In the method according to the first embodiment of the present invention, first, the chirp signal emitted through the light source 100 is
Figure 112020021307672-pat00102
is irradiated to the light diffusion medium 10 and absorbed by the light absorber 20 positioned inside the light diffusion medium 10 (S110).

광원(100)을 통해 방출되는 처프신호

Figure 112020021307672-pat00103
는 광 확산매체(10) 내에서 전파 및 확산되면서 광 흡수체(20)에 도달하게 되며, 광 흡수체(20)가 처프신호
Figure 112020021307672-pat00104
를 흡수할 경우에는 광음향 신호를 발생시키게 된다. 여기서, 광원(100)을 통해 방출되는 처프신호
Figure 112020021307672-pat00105
는 도 4b에 나타낸 바와 같이, 시간에 따라 포락선이 일정한 신호일 수 있다. Chirp signal emitted through the light source 100
Figure 112020021307672-pat00103
is propagated and diffused in the light diffusion medium 10 to reach the light absorber 20, and the light absorber 20 generates a chirp signal.
Figure 112020021307672-pat00104
When it is absorbed, a photoacoustic signal is generated. Here, the chirp signal emitted through the light source 100
Figure 112020021307672-pat00105
may be a signal having a constant envelope over time, as shown in FIG. 4B .

다음으로, 광음향 측정기(200)를 이용하여 상기 처프신호로 인해 광 흡수체(20)에서 발생하는 광음향 신호를 측정한다(S120). Next, the photoacoustic signal generated from the optical absorber 20 due to the chirped signal is measured using the photoacoustic measuring instrument 200 (S120).

광음향 측정기(200)가 측정하는 광음향 신호에는 잡음이 포함되어 있다. 이에 따라, 광원(100) 및 광음향 측정기(200)와 연결되는 처리장치(300)는 상기 광음향 측정기(200)에 의해 측정된 광음향 신호를 입력받아, 상기 광음향 신호를 주파수 영역에서 정합 필터링 처리를 수행하여 정합 필터링된 광음향 신호를 산출한다(S130). 이와 같은 정합 필터링 처리에 의해 상기 광음향 신호의 신호 대 잡음비는 향상될 수 있다.The photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200 includes noise. Accordingly, the processing device 300 connected to the light source 100 and the photoacoustic meter 200 receives the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200 and matches the photoacoustic signal in the frequency domain. A matched filtered photoacoustic signal is calculated by performing a filtering process (S130). The signal-to-noise ratio of the photoacoustic signal may be improved by the matched filtering process.

본 발명의 제1 실시예에서 상기 S130 단계는, 처리장치(300)가 광원(100)을 통해 방출되는 처프신호

Figure 112020021307672-pat00106
에서 상기 처프신호의 DC 성분을 제거하여 DC 성분이 제거된 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00107
을 산출하는 단계(S131)를 포함한다.In the first embodiment of the present invention, in step S130 , the processing device 300 emits a chirp signal through the light source 100 .
Figure 112020021307672-pat00106
The chirp signal spectrum from which the DC component is removed by removing the DC component of the chirp signal in
Figure 112020021307672-pat00107
and calculating ( S131 ).

처리장치(300)는 광원(100)과 연결되어 있으며, 이에 따라 처리장치(300)는 광원(100)을 통해 방출되는 처프신호의 형태를 알 수 있고, 나아가 광원(100)을 통해 방출되는 처프신호를 제어할 수도 있다. The processing device 300 is connected to the light source 100 , and accordingly, the processing device 300 can know the shape of the chirp signal emitted through the light source 100 , and furthermore, the chirp signal emitted through the light source 100 . You can also control the signal.

처리장치(300)는 광원(100)을 통해 방출되는 처프신호

Figure 112020021307672-pat00108
에서 상기 처프신호의 DC 성분을 제거하여 DC 성분이 제거된 처프신호
Figure 112020021307672-pat00109
를 산출하고, 이후 상기 DC 성분이 제거된 처프신호
Figure 112020021307672-pat00110
를 푸리에 변환하여 DC 성분이 제거된 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00111
를 산출할 수 있다. The processing device 300 emits a chirp signal through the light source 100 .
Figure 112020021307672-pat00108
The chirp signal from which the DC component is removed by removing the DC component of the chirp signal in
Figure 112020021307672-pat00109
, and then the chirp signal from which the DC component is removed
Figure 112020021307672-pat00110
chirp signal spectrum from which the DC component has been removed by Fourier transform
Figure 112020021307672-pat00111
can be calculated.

또는, 처리장치(300)는 광원(100)을 통해 방출되는 처프신호

Figure 112020021307672-pat00112
를 푸리에 변환하여 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00113
를 산출하고, 이후 상기 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00114
에서 처프신호
Figure 112020021307672-pat00115
의 DC 성분을 제거하여 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00116
를 산출할 수도 있다.Alternatively, the processing device 300 emits a chirp signal through the light source 100 .
Figure 112020021307672-pat00112
chirp signal spectrum by Fourier transform
Figure 112020021307672-pat00113
, and then the chirped signal spectrum
Figure 112020021307672-pat00114
chirp signal from
Figure 112020021307672-pat00115
chirp signal spectrum by removing the DC component of
Figure 112020021307672-pat00116
can also be calculated.

상기 S131 단계 이후, 처리장치(300)는 상기 DC 성분이 제거된 처프신호 스펙트럼

Figure 112020021307672-pat00117
를 이용하여, 주파수 영역에서 상기 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행한다(S132).After the step S131, the processing device 300 is a chirp signal spectrum from which the DC component is removed.
Figure 112020021307672-pat00117
By using , matched filtering processing of the photoacoustic signal in the frequency domain is performed (S132).

처리장치(300)는 광음향 측정기(200)와 연결되어 있으며, 이에 따라 처리장치(300)는 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호를 획득할 수 있다. 처리장치(300)는 정합 필터링 함수

Figure 112020021307672-pat00118
를 통해 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행함으로써,
Figure 112020021307672-pat00119
를 통해 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행하던 종래 방법에 비해, 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있다. The processing apparatus 300 is connected to the photoacoustic meter 200 , and accordingly, the processing apparatus 300 may obtain a photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200 . The processing unit 300 is a matched filtering function
Figure 112020021307672-pat00118
By performing matched filtering processing of the photoacoustic signal through
Figure 112020021307672-pat00119
Compared to the conventional method of performing matched filtering of an optoacoustic signal through

상술한 바와 같이, 도 5는 중심 주파수 νc가 3MHz이고, 대역폭 bT가 4MHz인 처프신호 Ic(t)를 푸리에 변환한 결과인 처프신호 스펙트럼

Figure 112020021307672-pat00120
를 나타낸 도면이고, 도 7은 도 5에 나타낸 처프신호에서 DC 성분이 제거된 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00121
를 나타낸 도면이다. 그리고 도 8은 주파수가 1MHz에서 5MHz까지 변하는 처프신호 Ic(t)가 광 흡수체(20)에 흡수될 경우, 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호를 처리장치(300)가
Figure 112020021307672-pat00122
Figure 112020021307672-pat00123
로 각각 정합 필터링 처리를 수행하였을 때 산출되는 정합 필터링된 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다. As described above, FIG. 5 is a chirped signal spectrum resulting from Fourier transform of a chirped signal I c (t) having a center frequency ν c of 3 MHz and a bandwidth bT of 4 MHz.
Figure 112020021307672-pat00120
, and FIG. 7 is a chirped signal spectrum from which the DC component is removed from the chirped signal shown in FIG.
Figure 112020021307672-pat00121
is a diagram showing And FIG. 8 shows that when the chirp signal I c (t) whose frequency varies from 1 MHz to 5 MHz is absorbed by the optical absorber 20, the processing device 300 processes the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200.
Figure 112020021307672-pat00122
and
Figure 112020021307672-pat00123
It is a diagram showing the signal-to-noise ratio of the matched-filtered optoacoustic signal calculated when each matched filtering process is performed.

도 8에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 관한 시뮬레이션에서는 광 확산매체(10)에 조사되는 처프신호의 선폭을 0.25~1.2msec의 범위 내에서 변화시켜가면서 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행하였다. 도 8에서 mean

Figure 112020021307672-pat00124
Figure 112020021307672-pat00125
를 통해 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 하여 산출되는 신호 대 잡음비를 평균한 것이고, mean
Figure 112020021307672-pat00126
Figure 112020021307672-pat00127
를 통해 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 하여 산출되는 신호 대 잡음비를 평균한 것이다. 그리고 도 8에 나타낸 광음향 신호의 신호 대 잡음비는 처리장치(300)가 도 5에 나타낸
Figure 112020021307672-pat00128
및 도 7에 나타낸
Figure 112020021307672-pat00129
각각을 수학식 7과 8에 적용한 뒤, 수학식 7과 8의 결과를 최종적으로 수학식 9에 적용하여 산출된 결과이다. As shown in FIG. 8, in the simulation according to the first embodiment of the present invention, the photoacoustic meter 200 is used while changing the line width of the chirped signal irradiated to the optical diffusion medium 10 within the range of 0.25 to 1.2 msec. Matched filtering of the measured photoacoustic signal was performed. mean in FIG. 8
Figure 112020021307672-pat00124
Is
Figure 112020021307672-pat00125
It is the average of the signal-to-noise ratio calculated by performing matched filtering of the optoacoustic signal through
Figure 112020021307672-pat00126
Is
Figure 112020021307672-pat00127
It is an average of the signal-to-noise ratio calculated by performing matched filtering on the optoacoustic signal. And the signal-to-noise ratio of the photoacoustic signal shown in FIG. 8 is the processing device 300 shown in FIG.
Figure 112020021307672-pat00128
and shown in FIG.
Figure 112020021307672-pat00129
After applying each of Equations 7 and 8, the results of Equations 7 and 8 are finally applied to Equation 9 to obtain a calculated result.

도 8에서 알 수 있듯이, 처리장치(300)가 정합 필터링 함수

Figure 112020021307672-pat00130
를 통해 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행할 경우에는,
Figure 112020021307672-pat00131
를 통해 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행하던 종래의 경우에 비해, 광음향 신호의 신호 대 잡음비가 대폭 향상된다는 것을 확인할 수 있다. As can be seen in FIG. 8 , the processing unit 300 performs a matched filtering function
Figure 112020021307672-pat00130
In the case of performing matched filtering processing of the photoacoustic signal through
Figure 112020021307672-pat00131
It can be seen that the signal-to-noise ratio of the optoacoustic signal is significantly improved compared to the conventional case in which the matched filtering process of the optoacoustic signal is performed.

도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이,

Figure 112020021307672-pat00132
Figure 112020021307672-pat00133
에서는 DC 부분이 0에 매우 근접하다. 따라서, 광 확산매체(10)에 조사되는 처프신호 Ic(t)의 DC 부분은 수학식 7에 나타낸 잡음이 없는 이상적인 광음향 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00134
에 기여하지 않는다. 이는 곧 처프신호 Ic(t)의 DC 부분은 수학식 8의 광음향 잡음 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00135
에만 주로 기여하게 되는 것을 의미하고, 이것이 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 저하시키는 요인이 된다. As shown in Figures 2 and 3,
Figure 112020021307672-pat00132
and
Figure 112020021307672-pat00133
In , the DC part is very close to zero. Therefore, the DC portion of the chirped signal I c (t) irradiated to the optical diffusion medium 10 is the noise-free ideal photoacoustic spectrum shown in Equation (7).
Figure 112020021307672-pat00134
does not contribute to This means that the DC part of the chirp signal I c (t) is the photoacoustic noise spectrum of Equation 8.
Figure 112020021307672-pat00135
This means that it mainly contributes only to the .

도 7에 나타낸 바와 같이, 광음향 신호를 주파수 영역에서 정합 필터링 처리함에 있어서, 처프신호의 DC 성분을 제거하게 되면, 처프신호의 DC 성분이 정합 필터링된 광음향 잡음 스펙트럼

Figure 112020021307672-pat00136
에만 기여하는 것을 차단하게 되어, 도 8과 같이 광음향 신호의 신호 대 잡음비가 향상되게 된다. As shown in FIG. 7, when the DC component of the chirped signal is removed in the matched filtering process of the photoacoustic signal in the frequency domain, the DC component of the chirped signal is matched filtered optoacoustic noise spectrum.
Figure 112020021307672-pat00136
As shown in FIG. 8, the signal-to-noise ratio of the optoacoustic signal is improved.

도 9는 선폭 T=1msec이고 주파수가 1MHz에서 5MHz까지 변하는 처프신호가 광 흡수체(20)에 흡수될 경우, 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호를 처리장치(300)가

Figure 112020021307672-pat00137
Figure 112020021307672-pat00138
로 각각 정합 필터링 처리를 수행하였을 때 획득되는 노이즈가 포함된 광음향 신호 파형을 나타낸 도면이다. 9 shows that when a chirp signal having a line width T = 1 msec and a frequency of 1 MHz to 5 MHz is absorbed by the optical absorber 20, the processing device 300 processes the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200.
Figure 112020021307672-pat00137
and
Figure 112020021307672-pat00138
It is a diagram showing a photoacoustic signal waveform including noise obtained when each matched filtering process is performed.

도 9에서도 알 수 있듯이, 처리장치(300)가 정합 필터링 함수

Figure 112020021307672-pat00139
를 통해 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행할 경우에는,
Figure 112020021307672-pat00140
를 통해 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행하던 종래의 경우에 비해, 광음향 신호의 신호 대 잡음비가 향상된다는 것을 확인할 수 있다. As can be seen from FIG. 9 , the processing unit 300 performs a matched filtering function
Figure 112020021307672-pat00139
In the case of performing matched filtering processing of the photoacoustic signal through
Figure 112020021307672-pat00140
It can be confirmed that the signal-to-noise ratio of the photoacoustic signal is improved compared to the conventional case in which the matched filtering process of the photoacoustic signal is performed.

도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법을 나타낸 흐름도이다.10 is a flowchart illustrating a method of improving a signal-to-noise ratio of an optoacoustic signal measured by an optoacoustic meter according to a second embodiment of the present invention.

본 발명의 제2 실시예에 따른 방법은, 우선 광원(100)을 통해 방출되는 처프신호

Figure 112020021307672-pat00141
를 광 확산매체(10)에 조사하여 상기 광 확산매체(10)의 내부에 위치하는 광 흡수체(20)에 흡수시키는 단계가 이루어진다(S210). In the method according to the second embodiment of the present invention, first, the chirp signal emitted through the light source 100 is
Figure 112020021307672-pat00141
is irradiated to the light diffusion medium 10 and absorbed by the light absorber 20 positioned inside the light diffusion medium 10 (S210).

광원(100)을 통해 방출되는 처프신호

Figure 112020021307672-pat00142
는 광 확산매체(10) 내에서 전파 및 확산되면서 광 흡수체(20)에 도달하게 되며, 광 흡수체(20)가 처프신호
Figure 112020021307672-pat00143
를 흡수할 경우에는 광음향 신호를 발생시키게 된다. 여기서, 광원(100)을 통해 방출되는 처프신호
Figure 112020021307672-pat00144
는 도 4b에 나타낸 바와 같이, 시간에 따라 포락선이 일정한 신호일 수 있다. Chirp signal emitted through the light source 100
Figure 112020021307672-pat00142
is propagated and diffused in the light diffusion medium 10 to reach the light absorber 20, and the light absorber 20 generates a chirp signal.
Figure 112020021307672-pat00143
When it is absorbed, a photoacoustic signal is generated. Here, the chirp signal emitted through the light source 100
Figure 112020021307672-pat00144
may be a signal having a constant envelope over time, as shown in FIG. 4B .

다음으로, 광음향 측정기(200)를 이용하여 상기 처프신호로 인해 광 흡수체(20)에서 발생하는 광음향 신호를 측정한다(S220). Next, the photoacoustic signal generated from the optical absorber 20 due to the chirped signal is measured using the photoacoustic meter 200 (S220).

광음향 측정기(200)가 측정하는 광음향 신호에는 잡음이 포함되어 있다. 이에 따라, 광원(100) 및 광음향 측정기(200)와 연결되는 처리장치(300)는 상기 광음향 측정기(200)에 의해 측정된 광음향 신호를 입력받아, 상기 광음향 신호를 주파수 영역에서 정합 필터링 처리를 수행하여 정합 필터링된 광음향 신호를 산출한다(S230). 이와 같은 정합 필터링 처리에 의해 상기 광음향 신호의 신호 대 잡음비는 향상될 수 있다.The photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200 includes noise. Accordingly, the processing device 300 connected to the light source 100 and the photoacoustic meter 200 receives the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200 and matches the photoacoustic signal in the frequency domain. A matched-filtered photoacoustic signal is calculated by performing a filtering process (S230). The signal-to-noise ratio of the photoacoustic signal may be improved by the matched filtering process.

본 발명의 제2 실시예에서 상기 S230 단계는, 처리장치(300)가 광원(100)을 통해 방출되는 처프신호

Figure 112020021307672-pat00145
를 이용하여 처프신호 스펙트럼을 산출하는 단계(S231)를 포함한다. In the second embodiment of the present invention, in step S230 , the processing device 300 emits a chirp signal through the light source 100 .
Figure 112020021307672-pat00145
and calculating a chirp signal spectrum by using (S231).

상기 S231 단계에서는, 처리장치(300)가 상기 광원(100)을 통해 방출되는 처프신호

Figure 112020021307672-pat00146
를 푸리에 변환하여 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00147
를 산출할 수 있다. 상술한 바와 같이, 처리장치(300)는 광원(100)과 연결되어 있기 때문에, 처리장치(300)는 광원(100)을 통해 방출되는 처프신호의 형태를 알 수 있고, 나아가 광원(100)을 통해 방출되는 처프신호를 제어할 수도 있다. 이와 같이, 처리장치(300)가 광원(100)을 통해 방출되는 처프신호의 형태를 알 수 있기 때문에, 처리장치(300)는 처프신호
Figure 112020021307672-pat00148
로부터 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00149
를 산출할 수 있다.In step S231 , the processing device 300 emits a chirp signal through the light source 100 .
Figure 112020021307672-pat00146
chirp signal spectrum by Fourier transform
Figure 112020021307672-pat00147
can be calculated. As described above, since the processing device 300 is connected to the light source 100 , the processing device 300 can know the shape of the chirp signal emitted through the light source 100 , and furthermore, the light source 100 . It is also possible to control the chirp signal emitted through the In this way, since the processing device 300 can know the shape of the chirp signal emitted through the light source 100 , the processing device 300 generates the chirp signal
Figure 112020021307672-pat00148
chirp signal spectrum from
Figure 112020021307672-pat00149
can be calculated.

또는, 상기 S231 단계에서는, 광원(100)을 통해 방출되는 처프신호

Figure 112020021307672-pat00150
에서 상기 처프신호의 DC 성분을 제거하여 DC 성분이 제거된 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00151
를 산출할 수도 있다.Alternatively, in step S231, the chirp signal emitted through the light source 100
Figure 112020021307672-pat00150
The chirp signal spectrum from which the DC component is removed by removing the DC component of the chirp signal in
Figure 112020021307672-pat00151
can also be calculated.

처리장치(300)가 광원(100)을 통해 방출되는 처프신호의 형태를 알 수 있기 때문에, 처리장치(300)는 광원(100)을 통해 방출되는 처프신호

Figure 112020021307672-pat00152
에서 상기 처프신호의 DC 성분을 제거하여 DC 성분이 제거된 처프신호
Figure 112020021307672-pat00153
를 산출하고, 이후 상기 DC 성분이 제거된 처프신호
Figure 112020021307672-pat00154
를 푸리에 변환하여 DC 성분이 제거된 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00155
를 산출할 수 있다. Since the processing device 300 can know the shape of the chirp signal emitted through the light source 100 , the processing device 300 detects the chirp signal emitted through the light source 100 .
Figure 112020021307672-pat00152
The chirp signal from which the DC component is removed by removing the DC component of the chirp signal in
Figure 112020021307672-pat00153
, and then the chirp signal from which the DC component is removed
Figure 112020021307672-pat00154
chirp signal spectrum from which the DC component has been removed by Fourier transform
Figure 112020021307672-pat00155
can be calculated.

또는, 처리장치(300)는 광원(100)을 통해 방출되는 처프신호

Figure 112020021307672-pat00156
를 푸리에 변환하여 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00157
를 산출하고, 이후 상기 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00158
에서 처프신호
Figure 112020021307672-pat00159
의 DC 성분을 제거하여 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00160
를 산출할 수도 있다. Alternatively, the processing device 300 emits a chirp signal through the light source 100 .
Figure 112020021307672-pat00156
chirp signal spectrum by Fourier transform
Figure 112020021307672-pat00157
, and then the chirped signal spectrum
Figure 112020021307672-pat00158
chirp signal from
Figure 112020021307672-pat00159
chirp signal spectrum by removing the DC component of
Figure 112020021307672-pat00160
can also be calculated.

상기 S231 단계 이후에는, 처리장치(300)가 광음향 측정기(200)의 전달함수

Figure 112020021307672-pat00161
와, 광음향 측정기(200)의 모양 및 광 흡수체(20)의 모양에 따라 결정되는 공간적 광음향 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00162
중 적어도 어느 하나를, 상기 S231 단계에서 산출한 처프신호 스펙트럼에 곱한 값을 이용하여, 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행한다(S232).After the step S231 , the processing device 300 performs the transfer function of the photoacoustic meter 200 .
Figure 112020021307672-pat00161
and a spatial photoacoustic spectrum determined according to the shape of the photoacoustic meter 200 and the shape of the light absorber 20 .
Figure 112020021307672-pat00162
Matched filtering of the photoacoustic signal is performed using at least one of the values multiplied by the chirp signal spectrum calculated in step S231 (S232).

처리장치(300)는 광음향 측정기(200)와 연결되어 있기 때문에, 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호를 획득할 수 있다. 또한, 본 발명의 제2 실시예에서는 처리장치(300)가 광음향 측정기(200)의 전달함수

Figure 112020021307672-pat00163
와, 광음향 측정기(200)의 모양 및 광 흡수체(20)의 모양에 따라 결정되는 공간적 광음향 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00164
중 적어도 어느 하나를 유추할 수 있을 경우에 적용된다. 즉, 처리장치(300) 내에는 광음향 측정기(200)의 전달함수
Figure 112020021307672-pat00165
및 공간적 광음향 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00166
중 적어도 어느 하나가 저장되어 있을 수 있다. Since the processing device 300 is connected to the photoacoustic meter 200 , it is possible to obtain a photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200 . In addition, in the second embodiment of the present invention, the processing device 300 is a transfer function of the photoacoustic meter 200 .
Figure 112020021307672-pat00163
and a spatial photoacoustic spectrum determined according to the shape of the photoacoustic meter 200 and the shape of the light absorber 20 .
Figure 112020021307672-pat00164
It is applied when at least one of them can be inferred. That is, the transfer function of the photoacoustic meter 200 in the processing device 300 .
Figure 112020021307672-pat00165
and spatial optoacoustic spectrum
Figure 112020021307672-pat00166
At least one of them may be stored.

도 11은 광음향 측정기(200)의 전달함수

Figure 112020021307672-pat00167
와, 광음향 측정기(200)의 모양 및 광 흡수체(20)의 모양에 따라 결정되는 공간적 광음향 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00168
의 곱에 절대값을 취한 스펙트럼을 나타낸 도면이다. 보다 구체적으로, 도 11에 나타낸 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00169
은 도 2에 나타낸
Figure 112020021307672-pat00170
와 도 3에 나타낸
Figure 112020021307672-pat00171
의 곱에 절대값을 취한 것이다. 11 is a transfer function of the photoacoustic meter 200
Figure 112020021307672-pat00167
and a spatial photoacoustic spectrum determined according to the shape of the photoacoustic meter 200 and the shape of the light absorber 20 .
Figure 112020021307672-pat00168
It is a diagram showing the spectrum obtained by taking the absolute value of the product of . More specifically, the spectrum shown in FIG. 11
Figure 112020021307672-pat00169
is shown in Figure 2
Figure 112020021307672-pat00170
and shown in Figure 3
Figure 112020021307672-pat00171
is the absolute value of the product of

만일 스펙트럼

Figure 112020021307672-pat00172
에 가까운 어떤 함수
Figure 112020021307672-pat00173
가 있다고 가정했을 때, 종래의 정합 필터링 함수
Figure 112020021307672-pat00174
Figure 112020021307672-pat00175
와 같이 변형하고, 상기 정합 필터링 함수
Figure 112020021307672-pat00176
를 통해 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행하면, 상기 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있다. 보다 구체적으로는, 이하의 시뮬레이션 결과에서 알 수 있듯이, 정합 필터링 함수
Figure 112020021307672-pat00177
에서
Figure 112020021307672-pat00178
가 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00179
에 점점 더 가까워질수록 광음향 신호의 신호 대 잡음비는 더 향상될 수 있다. if spectrum
Figure 112020021307672-pat00172
any function close to
Figure 112020021307672-pat00173
Assuming that there is a conventional matched filtering function
Figure 112020021307672-pat00174
cast
Figure 112020021307672-pat00175
Transform as , and the matched filtering function
Figure 112020021307672-pat00176
If the matched filtering process of the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200 is performed through , the signal-to-noise ratio of the photoacoustic signal can be improved. More specifically, as can be seen from the simulation results below, the matched filtering function
Figure 112020021307672-pat00177
at
Figure 112020021307672-pat00178
autumn spectrum
Figure 112020021307672-pat00179
As it gets closer to , the signal-to-noise ratio of the optoacoustic signal may be further improved.

도 12는 주파수가 1MHz에서 5MHz까지 변하는 처프신호가 광 흡수체(20)에 흡수될 경우, 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호를 처리장치(300)가

Figure 112020021307672-pat00180
,
Figure 112020021307672-pat00181
Figure 112020021307672-pat00182
로 각각 정합 필터링 처리를 수행하였을 때 산출되는 정합 필터링된 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다. 12 shows that when a chirp signal whose frequency varies from 1 MHz to 5 MHz is absorbed by the optical absorber 20, the processing device 300 processes the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200.
Figure 112020021307672-pat00180
,
Figure 112020021307672-pat00181
and
Figure 112020021307672-pat00182
It is a diagram showing the signal-to-noise ratio of the matched-filtered optoacoustic signal calculated when each matched filtering process is performed.

도 12에 나타낸 스펙트럼들은

Figure 112020021307672-pat00183
,
Figure 112020021307672-pat00184
,
Figure 112020021307672-pat00185
의 순서대로 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00186
에 점점 더 가까워지는 것이 명백하다. 따라서, 처리장치(300)가 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호를 주파수 영역에서 정합 필터링 처리를 수행할 경우,
Figure 112020021307672-pat00187
,
Figure 112020021307672-pat00188
,
Figure 112020021307672-pat00189
의 순서대로 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 도 12에 나타낸 어떤 경우에도,
Figure 112020021307672-pat00190
를 통해 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행하던 종래의 경우에 비해, 광음향 신호의 신호 대 잡음비가 향상된다는 것을 확인할 수 있다.The spectra shown in Fig. 12 are
Figure 112020021307672-pat00183
,
Figure 112020021307672-pat00184
,
Figure 112020021307672-pat00185
spectrum in the order of
Figure 112020021307672-pat00186
It is clear that it is getting closer and closer to Therefore, when the processing device 300 performs matched filtering processing on the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200 in the frequency domain,
Figure 112020021307672-pat00187
,
Figure 112020021307672-pat00188
,
Figure 112020021307672-pat00189
It is possible to improve the signal-to-noise ratio of the optoacoustic signal in the order of . In addition, in any case shown in Fig. 12,
Figure 112020021307672-pat00190
It can be confirmed that the signal-to-noise ratio of the photoacoustic signal is improved compared to the conventional case in which the matched filtering process of the photoacoustic signal is performed.

추가적으로,

Figure 112020021307672-pat00191
대신
Figure 112020021307672-pat00192
를 이용하여도 도 12와 동일한 결과가 도출된다. 이는 도 2에 나타낸 바와 같이, 광음향 측정기(200)의 전달함수
Figure 112020021307672-pat00193
의 DC 부분이 0에 매우 근접하기 때문이다. 즉, 처리장치(300)가 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호를 주파수 영역에서 정합 필터링 처리를 수행할 경우,
Figure 112020021307672-pat00194
,
Figure 112020021307672-pat00195
,
Figure 112020021307672-pat00196
의 순서대로 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있게 된다. Additionally,
Figure 112020021307672-pat00191
instead
Figure 112020021307672-pat00192
The same result as in FIG. 12 is derived even by using . As shown in FIG. 2 , this is the transfer function of the photoacoustic meter 200 .
Figure 112020021307672-pat00193
This is because the DC part of is very close to zero. That is, when the processing device 300 performs matched filtering processing on the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200 in the frequency domain,
Figure 112020021307672-pat00194
,
Figure 112020021307672-pat00195
,
Figure 112020021307672-pat00196
It is possible to improve the signal-to-noise ratio of the optoacoustic signal in the order of .

도 13은 주파수가 1MHz에서 5MHz까지 변하는 처프신호가 광 흡수체에 흡수될 경우, 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호를 처리장치가

Figure 112020021307672-pat00197
,
Figure 112020021307672-pat00198
Figure 112020021307672-pat00199
로 각각 정합 필터링 처리를 수행하였을 때 산출되는 정합 필터링된 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다. 13 shows that when a chirp signal whose frequency varies from 1 MHz to 5 MHz is absorbed by the optical absorber, the processing device processes the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter.
Figure 112020021307672-pat00197
,
Figure 112020021307672-pat00198
and
Figure 112020021307672-pat00199
It is a diagram showing the signal-to-noise ratio of the matched-filtered optoacoustic signal calculated when each matched filtering process is performed.

도 13에 나타낸 스펙트럼들은

Figure 112020021307672-pat00200
,
Figure 112020021307672-pat00201
,
Figure 112020021307672-pat00202
의 순서대로 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00203
에 점점 더 가까워지는 것이 명백하다. 따라서, 처리장치(300)가 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호를 주파수 영역에서 정합 필터링 처리를 수행할 경우,
Figure 112020021307672-pat00204
,
Figure 112020021307672-pat00205
,
Figure 112020021307672-pat00206
의 순서대로 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 도 13에 나타낸 어떤 경우에도,
Figure 112020021307672-pat00207
를 통해 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행하던 종래의 경우에 비해, 광음향 신호의 신호 대 잡음비가 향상된다는 것을 확인할 수 있다. The spectra shown in Fig. 13 are
Figure 112020021307672-pat00200
,
Figure 112020021307672-pat00201
,
Figure 112020021307672-pat00202
spectrum in the order of
Figure 112020021307672-pat00203
It is clear that it is getting closer and closer to Therefore, when the processing device 300 performs matched filtering processing on the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200 in the frequency domain,
Figure 112020021307672-pat00204
,
Figure 112020021307672-pat00205
,
Figure 112020021307672-pat00206
It is possible to improve the signal-to-noise ratio of the optoacoustic signal in the order of . In addition, in any case shown in Fig. 13,
Figure 112020021307672-pat00207
It can be confirmed that the signal-to-noise ratio of the photoacoustic signal is improved compared to the conventional case in which the matched filtering process of the photoacoustic signal is performed.

추가적으로, 도 13에서

Figure 112020021307672-pat00208
대신
Figure 112020021307672-pat00209
를 이용하여도 도 13과 동일한 결과가 도출된다. 이는 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 광음향 측정기(200)의 전달함수
Figure 112020021307672-pat00210
의 DC 부분, 그리고 공간적 광음향 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00211
의 DC 부분이 0에 매우 근접하기 때문이다. 즉, 처리장치(300)가 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호를 주파수 영역에서 정합 필터링 처리를 수행할 경우,
Figure 112020021307672-pat00212
,
Figure 112020021307672-pat00213
,
Figure 112020021307672-pat00214
의 순서대로 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있게 된다. Additionally, in FIG. 13
Figure 112020021307672-pat00208
instead
Figure 112020021307672-pat00209
The same result as in FIG. 13 is derived even by using . This is the transfer function of the photoacoustic meter 200 as shown in FIGS. 2 and 3 .
Figure 112020021307672-pat00210
The DC portion of the, and spatial optoacoustic spectrum
Figure 112020021307672-pat00211
This is because the DC part of is very close to zero. That is, when the processing device 300 performs matched filtering processing on the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200 in the frequency domain,
Figure 112020021307672-pat00212
,
Figure 112020021307672-pat00213
,
Figure 112020021307672-pat00214
It is possible to improve the signal-to-noise ratio of the optoacoustic signal in the order of .

도 14는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법을 나타낸 흐름도이다.14 is a flowchart illustrating a method of improving a signal-to-noise ratio of an optoacoustic signal measured by an optoacoustic meter according to a third embodiment of the present invention.

본 발명의 제3 실시예에 따른 방법은, 우선 광원(100)을 통해 방출되는 변조 처프신호를 광 확산매체(10)에 조사하여 상기 광 확산매체(10)의 내부에 위치하는 광 흡수체(20)에 흡수시키는 단계가 이루어진다(S310). In the method according to the third embodiment of the present invention, first, the optical diffusion medium 10 is irradiated with a modulated chirp signal emitted through the light source 100 , and the light absorber 20 positioned inside the optical diffusion medium 10 . ) is absorbed in (S310).

앞서 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예에 따른 방법에서는, 광원(100)을 통해 방출되는 처프신호의 포락선이 시간에 따라 일정하였으나, 본 발명의 제3 실시예에 따른 방법에서는, 광원(100)을 통해 방출되는 변조 처프신호의 포락선이 시간에 따라 변한다. 본 발명의 제3 실시예에서는 시간에 따라 포락선이 일정한 처프신호 Ic(t) 대신, 시간에 따라 포락선이 변하는 변조 처프신호 Im(t)를 광원(100)을 통해 방출시켜 광 확산매체(10)에 조사시키며, 이후 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호를 처리장치(300)가 주파수 영역에서 정합 필터링 처리를 수행할 때에도 상기 변조 처프신호 Im(t)를 이용한다.Previously, in the method according to the first and second embodiments of the present invention, the envelope of the chirp signal emitted through the light source 100 was constant with time, but in the method according to the third embodiment of the present invention, in the method according to the third embodiment of the present invention, the light source The envelope of the modulated chirp signal emitted through (100) changes with time. In the third embodiment of the present invention , instead of the chirp signal I c (t) whose envelope is constant with time, the modulated chirp signal I m (t) whose envelope changes with time is emitted through the light source 100 through the light diffusion medium ( 10), and then the modulated chirp signal I m (t) is also used when the processing device 300 performs matched filtering processing on the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200 in the frequency domain.

스펙트럼

Figure 112020021307672-pat00215
에 가까운 어떤 함수
Figure 112020021307672-pat00216
가 있다고 가정했을 때, 시간에 따라 포락선이 일정한 처프신호 Ic(t)를
Figure 112020021307672-pat00217
를 토대로 변조시켜 광 흡수체(20)에 흡수시키고, 이후 처리장치(300)가 광음향 측정기(200)에 의해 측정되는 광음향 신호를 주파수 영역에서 정합 필터링 처리를 수행함으로써, 상기 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있다. spectrum
Figure 112020021307672-pat00215
any function close to
Figure 112020021307672-pat00216
Assuming that there is a chirp signal I c (t) whose envelope is constant with time,
Figure 112020021307672-pat00217
The signal of the photoacoustic signal is modulated and absorbed by the optical absorber 20 based on The noise-to-noise ratio can be improved.

다음은 처리장치(300)가 시간에 따라 포락선이 일정한 처프신호 Ic(t)를

Figure 112020021307672-pat00218
를 토대로 변조시키는 일례이다.Next, the processing device 300 generates a chirp signal I c (t) with a constant envelope over time.
Figure 112020021307672-pat00218
This is an example of modulation based on

1단계로서, 시간에 따라 포락선이 일정한 처프신호, 예를 들어 수학식 10에 따른 처프신호 Ic(t)를 푸리에 변환하여

Figure 112020021307672-pat00219
를 산출하고,
Figure 112020021307672-pat00220
Figure 112020021307672-pat00221
를 곱하여 다음의 수학식 12와 같은 결과를 산출한다.As a first step, a Fourier transform of a chirped signal having a constant envelope over time, for example, a chirped signal I c (t) according to Equation 10,
Figure 112020021307672-pat00219
to calculate,
Figure 112020021307672-pat00220
to
Figure 112020021307672-pat00221
multiplied by to yield a result as in Equation 12 below.

[수학식 12][Equation 12]

Figure 112020021307672-pat00222
Figure 112020021307672-pat00222

2단계로서,

Figure 112020021307672-pat00223
를 역푸리에 변환하여, 그 결과값인
Figure 112020021307672-pat00224
를 산출한다.As step 2,
Figure 112020021307672-pat00223
is an inverse Fourier transform, and the result is
Figure 112020021307672-pat00224
to calculate

3단계로서,

Figure 112020021307672-pat00225
Figure 112020021307672-pat00226
의 포락선을 더해서 다음의 수학식 13과 같은 결과를 산출한다. As step 3,
Figure 112020021307672-pat00225
to
Figure 112020021307672-pat00226
A result as shown in Equation 13 is calculated by adding the envelope of .

[수학식 13][Equation 13]

Figure 112020021307672-pat00227
Figure 112020021307672-pat00227

수학식 13에서 i는 허수 기호이고, t는 시간이며, *는 합성곱(convolution)을 나타낸다. In Equation 13, i is an imaginary sign, t is time, and * denotes convolution.

4단계로서,

Figure 112020021307672-pat00228
의 단위 면적당 에너지를 수학식 11과 같이 미국 국립 표준 협회(ANSI)에서 정한 광 방사 노광량으로 정하기 위해, 다음의 수학식 14와 같은 계산을 통해, 시간에 따라 포락선이 변하는 변조 처프신호 Im(t)를 산출한다. As step 4,
Figure 112020021307672-pat00228
In order to determine the energy per unit area of , as the light radiation exposure dose determined by the American National Standards Institute (ANSI) as shown in Equation 11, the modulation chirp signal I m (t ) is calculated.

[수학식 14][Equation 14]

Figure 112020021307672-pat00229
Figure 112020021307672-pat00229

이하에서는, 위의 단계들을 통해 산출된 변조 처프신호를 Im(t) 대신

Figure 112020021307672-pat00230
의 형태로 나타내기로 한다. 여기서, 변조 처프신호를
Figure 112020021307672-pat00231
의 형태로 나타내는 것은, 시간에 따라 포락선이 일정한 처프신호 Ic(t)가 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00232
에 의해 포락선이 변조되었음을 강조하기 위함이다. Hereinafter, the modulated chirp signal calculated through the above steps is used instead of I m (t)
Figure 112020021307672-pat00230
to be expressed in the form of Here, the modulated chirp signal is
Figure 112020021307672-pat00231
In the form of , the chirped signal I c (t) with a constant envelope over time is the spectrum
Figure 112020021307672-pat00232
This is to emphasize that the envelope has been modulated by

처리장치(300)는 시간에 따라 포락선이 일정한 처프신호 Ic(t)를, 광음향 측정기(200)의 전달함수

Figure 112020021307672-pat00233
와, 광음향 측정기(200)의 모양 및 광 흡수체(20)의 모양에 따라 결정되는 공간적 광음향 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00234
중 적어도 어느 하나 이상을 이용하여 변조시킬 수 있다. The processing device 300 transmits a chirp signal I c (t) having a constant envelope over time, and a transfer function of the photoacoustic meter 200 .
Figure 112020021307672-pat00233
and a spatial photoacoustic spectrum determined according to the shape of the photoacoustic meter 200 and the shape of the light absorber 20 .
Figure 112020021307672-pat00234
It may be modulated using at least one or more of

처리장치(300)가 광음향 측정기(200)의 전달함수

Figure 112020021307672-pat00235
만을 가지고 처프신호 Ic(t)를 변조시킬 경우(즉,
Figure 112020021307672-pat00236
인 경우), 변조 처프신호는
Figure 112020021307672-pat00237
의 형태로 나타낼 수 있다. 처리장치(300)가 공간적 광음향 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00238
만을 가지고 처프신호 Ic(t)를 변조시킬 경우(즉,
Figure 112020021307672-pat00239
인 경우), 변조 처프신호는
Figure 112020021307672-pat00240
의 형태로 나타낼 수 있다. 또한, 처리장치(300)가 광음향 측정기(200)의 전달함수
Figure 112020021307672-pat00241
및 공간적 광음향 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00242
의 곱을 가지고 상기 처프신호 Ic(t)를 변조시킬 경우(즉,
Figure 112020021307672-pat00243
인 경우), 변조 처프신호는
Figure 112020021307672-pat00244
의 형태로 나타낼 수 있다. 참고로,
Figure 112020021307672-pat00245
의 스펙트럼 크기가 일정한 함수라면
Figure 112020021307672-pat00246
Figure 112020021307672-pat00247
가 된다. The processing device 300 is a transfer function of the photoacoustic meter 200 .
Figure 112020021307672-pat00235
When modulating the chirp signal I c (t) with only
Figure 112020021307672-pat00236
), the modulated chirp signal is
Figure 112020021307672-pat00237
can be expressed in the form of The processing device 300 is a spatial photoacoustic spectrum
Figure 112020021307672-pat00238
When modulating the chirp signal I c (t) with only
Figure 112020021307672-pat00239
), the modulated chirp signal is
Figure 112020021307672-pat00240
can be expressed in the form of In addition, the processing device 300 is a transfer function of the photoacoustic meter 200 .
Figure 112020021307672-pat00241
and spatial optoacoustic spectrum
Figure 112020021307672-pat00242
When modulating the chirp signal I c (t) with the product of
Figure 112020021307672-pat00243
), the modulated chirp signal is
Figure 112020021307672-pat00244
can be expressed in the form of Note that,
Figure 112020021307672-pat00245
If the spectral magnitude of is a constant function
Figure 112020021307672-pat00246
Is
Figure 112020021307672-pat00247
becomes

도 15는 시간에 따라 포락선이 변하는 변조 처프신호

Figure 112020021307672-pat00248
를 예시적으로 나타낸 그래프이다. 도 15에 의하면, 시간에 따라 포락선이 일정한 처프신호 Ic(t)가 광음향 측정기(200)의 전달함수
Figure 112020021307672-pat00249
및 공간적 광음향 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00250
의 곱에 의해 포락선이 변조된 결과,
Figure 112020021307672-pat00251
의 포락선은 도 11에 나타난 스펙트럼의 형태와 거의 동일함을 알 수 있다. 15 is a modulated chirp signal whose envelope changes with time.
Figure 112020021307672-pat00248
It is a graph showing by way of example. According to FIG. 15 , a chirp signal I c (t) having a constant envelope over time is a transfer function of the photoacoustic meter 200 .
Figure 112020021307672-pat00249
and spatial optoacoustic spectrum
Figure 112020021307672-pat00250
As a result of modulating the envelope by the product of
Figure 112020021307672-pat00251
It can be seen that the envelope of is almost identical to the shape of the spectrum shown in FIG. 11 .

도 16a는 도 15에 표시된 (a)부분을 확대하여 나타낸 그래프이고, 도 16b는 도 15에 표시된 (b)부분을 확대하여 나타낸 그래프이다. 도 15, 도 16a 및 도 16b에 나타난 바와 같이, 변조 처프신호

Figure 112020021307672-pat00252
는 도 4b에 나타낸 처프신호와 동일하게 시간에 따라 주파수가 점점 증가하지만, 도 4b에 나타낸 처프신호와는 달리 시간에 따라 포락선이 변한다는 것을 알 수 있다. FIG. 16A is an enlarged graph of part (a) shown in FIG. 15 , and FIG. 16B is an enlarged graph showing part (b) shown in FIG. 15 . 15, 16A and 16B, the modulated chirp signal
Figure 112020021307672-pat00252
It can be seen that although the frequency gradually increases with time in the same way as the chirp signal shown in FIG. 4B, the envelope changes with time, unlike the chirp signal shown in FIG. 4B.

상기 S310 단계에서, 광원(100)을 통해 방출되는 변조 처프신호

Figure 112020021307672-pat00253
가 광 확산매체(10)에 조사될 경우, 상기 광 확산매체(10)의 내부에 위치하는 광 흡수체(20)에서는 광음향 신호를 발생시키게 된다. In step S310, the modulated chirp signal emitted through the light source 100
Figure 112020021307672-pat00253
is irradiated to the optical diffusion medium 10 , the optical absorber 20 positioned inside the optical diffusion medium 10 generates a photoacoustic signal.

상기 S310 단계 이후, 광음향 측정기(200)를 이용하여 상기 변조 처프신호

Figure 112020021307672-pat00254
로 인해 광 흡수체(20)에서 발생하는 광음향 신호를 측정한다(S320).After the step S310, the modulated chirp signal using the photoacoustic meter 200
Figure 112020021307672-pat00254
Therefore, a photoacoustic signal generated from the light absorber 20 is measured (S320).

광음향 측정기(200)가 측정하는 광음향 신호에는 잡음이 포함되어 있다. 이에 따라, 광원(100) 및 광음향 측정기(200)와 연결되는 처리장치(300)는 상기 광음향 측정기(200)에 의해 측정된 광음향 신호를 입력받아, 상기 광음향 신호를 주파수 영역에서 정합 필터링 처리를 수행하여 정합 필터링된 광음향 신호를 산출한다(S330). 이와 같은 정합 필터링 처리에 의해 상기 광음향 신호의 신호 대 잡음비는 향상될 수 있다. The photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200 includes noise. Accordingly, the processing device 300 connected to the light source 100 and the photoacoustic meter 200 receives the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200 and matches the photoacoustic signal in the frequency domain. A matched filtered photoacoustic signal is calculated by performing a filtering process (S330). The signal-to-noise ratio of the photoacoustic signal may be improved by the matched filtering process.

본 발명의 제3 실시예에서 상기 S330 단계는, 처리장치(300)가 광원(100)을 통해 방출되는 변조 처프신호

Figure 112020021307672-pat00255
를 푸리에 변환하여 변조 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00256
를 산출하는 단계(S331)를 포함할 수 있다. In the third embodiment of the present invention, in step S330 , the processing device 300 emits a modulated chirp signal through the light source 100 .
Figure 112020021307672-pat00255
Modulated chirped signal spectrum by Fourier transform
Figure 112020021307672-pat00256
It may include a step of calculating (S331).

처리장치(300)는 광원(100)과 연결되어 있기 때문에, 처리장치(300)는 광원(100)을 통해 방출되는 변조 처프신호의 형태를 알 수 있고, 나아가 광원(100)을 통해 방출되는 변조 처프신호를 제어할 수도 있다. 이와 같이, 처리장치(300)가 변조 처프신호의 형태를 알 수 있기 때문에, 처리장치(300)는 변조 처프신호

Figure 112020021307672-pat00257
로부터 변조 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00258
를 산출할 수 있다.Since the processing device 300 is connected to the light source 100 , the processing device 300 can know the shape of the modulated chirp signal emitted through the light source 100 , and furthermore, the modulated chirp signal emitted through the light source 100 . It is also possible to control the chirp signal. In this way, since the processing device 300 can know the shape of the modulated chirped signal, the processing device 300 generates the modulated chirp signal.
Figure 112020021307672-pat00257
Modulated chirp signal spectrum from
Figure 112020021307672-pat00258
can be calculated.

상기 S331 단계 이후, 처리장치(300)는 상기 변조 처프신호 스펙트럼

Figure 112020021307672-pat00259
를 이용하여, 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행하는 단계(S332)가 이루어질 수 있다. After the step S331, the processing device 300 is the modulated chirp signal spectrum
Figure 112020021307672-pat00259
A step ( S332 ) of performing matched filtering processing on the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200 may be performed using .

처리장치(300)는 광음향 측정기(200)와 연결되어 있으며, 이에 따라 처리장치(300)는 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호를 획득할 수 있다. 처리장치(300)는 정합 필터링 함수

Figure 112020021307672-pat00260
를 통해 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행함으로써,
Figure 112020021307672-pat00261
를 통해 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행하던 종래 방법에 비해, 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있다. The processing apparatus 300 is connected to the photoacoustic meter 200 , and accordingly, the processing apparatus 300 may obtain a photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200 . The processing unit 300 is a matched filtering function
Figure 112020021307672-pat00260
By performing matched filtering processing of the photoacoustic signal through
Figure 112020021307672-pat00261
Compared to the conventional method of performing matched filtering of an optoacoustic signal through

도 17은 주파수가 1MHz에서 5MHz까지 변하는 변조 처프신호가 광 흡수체(20)에 흡수될 경우, 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호를 처리장치(300)가

Figure 112020021307672-pat00262
,
Figure 112020021307672-pat00263
Figure 112020021307672-pat00264
로 각각 정합 필터링 처리를 수행하였을 때 산출되는 정합 필터링된 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다. 17 shows that when a modulated chirp signal whose frequency varies from 1 MHz to 5 MHz is absorbed by the optical absorber 20, the processing device 300 processes the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200.
Figure 112020021307672-pat00262
,
Figure 112020021307672-pat00263
and
Figure 112020021307672-pat00264
It is a diagram showing the signal-to-noise ratio of the matched-filtered optoacoustic signal calculated when each matched filtering process is performed.

도 17에 나타낸 바와 같이, 광원(100)을 통해 방출되는 변조 처프신호

Figure 112020021307672-pat00265
가 각각
Figure 112020021307672-pat00266
,
Figure 112020021307672-pat00267
Figure 112020021307672-pat00268
인 경우, 처리장치(300)는 정합 필터링 함수
Figure 112020021307672-pat00269
,
Figure 112020021307672-pat00270
Figure 112020021307672-pat00271
를 통해 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행할 수 있다. As shown in FIG. 17 , the modulated chirp signal emitted through the light source 100 .
Figure 112020021307672-pat00265
are each
Figure 112020021307672-pat00266
,
Figure 112020021307672-pat00267
and
Figure 112020021307672-pat00268
If , the processing unit 300 is a matched filtering function
Figure 112020021307672-pat00269
,
Figure 112020021307672-pat00270
and
Figure 112020021307672-pat00271
Through this, matched filtering processing of the optoacoustic signal can be performed.

도 17에서 알 수 있듯이, 광원(100)을 통해 변조 처프신호

Figure 112020021307672-pat00272
가 방출되어 광 흡수체(20)에 흡수되고, 이때 처리장치(300)가 상기 변조 처프신호
Figure 112020021307672-pat00273
를 푸리에 변환하여 산출한 변조 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00274
를 통해 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행할 경우에는,
Figure 112020021307672-pat00275
를 통해 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행하던 종래의 경우에 비해, 광음향 신호의 신호 대 잡음비가 향상된다. As can be seen from FIG. 17 , the modulated chirp signal through the light source 100
Figure 112020021307672-pat00272
is emitted and absorbed by the light absorber 20, and at this time, the processing device 300 generates the modulated chirp signal.
Figure 112020021307672-pat00273
Modulated chirped signal spectrum calculated by Fourier transform
Figure 112020021307672-pat00274
In the case of performing matched filtering processing of the photoacoustic signal through
Figure 112020021307672-pat00275
The signal-to-noise ratio of the optoacoustic signal is improved compared to the conventional case in which the matched filtering process of the optoacoustic signal is performed.

한편, 본 발명의 제3 실시예에서 상기 S330 단계는, 처리장치(300)가 광원(100)을 통해 방출되는 변조 처프신호

Figure 112020021307672-pat00276
에서 상기 변조 처프신호의 DC 성분을 제거하여 DC 성분이 제거된 변조 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00277
을 산출하는 단계(S333)를 포함할 수 있다. Meanwhile, in the third embodiment of the present invention, in step S330 , the processing device 300 emits a modulated chirp signal through the light source 100 .
Figure 112020021307672-pat00276
The modulated chirp signal spectrum from which the DC component is removed by removing the DC component of the modulated chirp signal in
Figure 112020021307672-pat00277
It may include a step of calculating (S333).

처리장치(300)는 광원(100)과 연결되어 있기 때문에, 광원(100)을 통해 방출되는 변조 처프신호의 형태를 알 수 있고, 나아가 광원(100)을 통해 방출되는 변조 처프신호를 제어할 수도 있다. Since the processing device 300 is connected to the light source 100 , it is possible to know the shape of the modulated chirp signal emitted through the light source 100 and further control the modulated chirp signal emitted through the light source 100 . have.

처리장치(300)는 광원(100)을 통해 방출되는 변조 처프신호

Figure 112020021307672-pat00278
에서 상기 변조 처프신호의 DC 성분을 제거하여 DC 성분이 제거된 변조 처프신호
Figure 112020021307672-pat00279
를 산출하고, 이후 상기 DC 성분이 제거된 변조 처프신호
Figure 112020021307672-pat00280
를 푸리에 변환하여 DC 성분이 제거된 변조 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00281
를 산출할 수 있다. The processing device 300 is a modulated chirp signal emitted through the light source 100 .
Figure 112020021307672-pat00278
The modulated chirp signal from which the DC component is removed by removing the DC component of the modulated chirp signal in
Figure 112020021307672-pat00279
, and then the modulated chirp signal from which the DC component is removed.
Figure 112020021307672-pat00280
Modulated chirped signal spectrum from which DC component is removed by Fourier transform
Figure 112020021307672-pat00281
can be calculated.

또는, 처리장치(300)는 광원(100)을 통해 방출되는 변조 처프신호

Figure 112020021307672-pat00282
를 푸리에 변환하여 변조 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00283
를 산출하고, 이후 상기 변조 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00284
에서 변조 처프신호
Figure 112020021307672-pat00285
의 DC 성분을 제거하여 변조 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00286
를 산출할 수도 있다.Alternatively, the processing device 300 is a modulated chirp signal emitted through the light source 100 .
Figure 112020021307672-pat00282
Modulated chirped signal spectrum by Fourier transform
Figure 112020021307672-pat00283
, and then the modulated chirped signal spectrum
Figure 112020021307672-pat00284
Modulated chirp signal from
Figure 112020021307672-pat00285
Modulated chirped signal spectrum by removing the DC component of
Figure 112020021307672-pat00286
can also be calculated.

상기 S333 단계 이후, 처리장치(300)는 상기 DC 성분이 제거된 변조 처프신호 스펙트럼

Figure 112020021307672-pat00287
를 이용하여, 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행한다(S334). After the step S333, the processing device 300 is a modulated chirped signal spectrum from which the DC component is removed.
Figure 112020021307672-pat00287
is used to perform matched filtering of the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200 (S334).

처리장치(300)는 광음향 측정기(200)와 연결되어 있으며, 이에 따라 처리장치(300)는 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호를 획득할 수 있다. 처리장치(300)는 정합 필터링 함수

Figure 112020021307672-pat00288
를 통해 상기 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행함으로써,
Figure 112020021307672-pat00289
를 통해 상기 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행하던 종래 방법에 비해, 상기 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있다. The processing apparatus 300 is connected to the photoacoustic meter 200 , and accordingly, the processing apparatus 300 may obtain a photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200 . The processing unit 300 is a matched filtering function
Figure 112020021307672-pat00288
By performing matched filtering processing of the photoacoustic signal through
Figure 112020021307672-pat00289
Compared to the conventional method of performing matched filtering of the photoacoustic signal through

도 18은 주파수가 1MHz에서 5MHz까지 변하는 변조 처프신호가 광 흡수체에 흡수될 경우, 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호를 처리장치가

Figure 112020021307672-pat00290
,
Figure 112020021307672-pat00291
Figure 112020021307672-pat00292
로 각각 정합 필터링 처리를 수행하였을 때 산출되는 정합 필터링된 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다. 18 shows that when a modulated chirp signal whose frequency varies from 1 MHz to 5 MHz is absorbed by the optical absorber, the processing device processes the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter.
Figure 112020021307672-pat00290
,
Figure 112020021307672-pat00291
and
Figure 112020021307672-pat00292
It is a diagram showing the signal-to-noise ratio of the matched-filtered optoacoustic signal calculated when each matched filtering process is performed.

도 18에 나타낸 바와 같이, 광원(100)을 통해 방출되는 변조 처프신호

Figure 112020021307672-pat00293
가 각각
Figure 112020021307672-pat00294
,
Figure 112020021307672-pat00295
Figure 112020021307672-pat00296
인 경우, 처리장치(300)는 정합 필터링 함수
Figure 112020021307672-pat00297
,
Figure 112020021307672-pat00298
Figure 112020021307672-pat00299
를 통해 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행할 수 있다. As shown in FIG. 18 , the modulated chirp signal emitted through the light source 100 .
Figure 112020021307672-pat00293
are each
Figure 112020021307672-pat00294
,
Figure 112020021307672-pat00295
and
Figure 112020021307672-pat00296
If , the processing unit 300 is a matched filtering function
Figure 112020021307672-pat00297
,
Figure 112020021307672-pat00298
and
Figure 112020021307672-pat00299
Through this, matched filtering processing of the optoacoustic signal can be performed.

도 18에서 알 수 있듯이, 광원(100)을 통해 변조 처프신호

Figure 112020021307672-pat00300
가 방출되어 광 흡수체(20)에 흡수되고, 이때 처리장치(300)가 상기 변조 처프신호
Figure 112020021307672-pat00301
에서 변조 처프신호의 DC 성분을 제거하여 산출한 DC 성분이 제거된 변조 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00302
를 통해 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행할 경우에는,
Figure 112020021307672-pat00303
를 통해 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행하던 종래의 경우에 비해, 광음향 신호의 신호 대 잡음비가 향상된다. As can be seen from FIG. 18 , the modulated chirp signal through the light source 100
Figure 112020021307672-pat00300
is emitted and absorbed by the light absorber 20, and at this time, the processing device 300 generates the modulated chirp signal.
Figure 112020021307672-pat00301
Spectrum of the modulated chirp signal from which the DC component is removed, calculated by removing the DC component of the modulated chirp signal
Figure 112020021307672-pat00302
In the case of performing matched filtering processing of the photoacoustic signal through
Figure 112020021307672-pat00303
The signal-to-noise ratio of the optoacoustic signal is improved compared to the conventional case in which the matched filtering process of the optoacoustic signal is performed.

한편, 본 발명의 제3 실시예에서 상기 S330 단계는, 처리장치(300)가 광원(100)을 통해 방출되는 변조 처프신호

Figure 112020021307672-pat00304
를 이용하여 변조 처프신호 스펙트럼을 산출하는 단계(S335)를 포함할 수 있다. Meanwhile, in the third embodiment of the present invention, in step S330 , the processing device 300 emits a modulated chirp signal through the light source 100 .
Figure 112020021307672-pat00304
It may include calculating a spectrum of the modulated chirp signal using (S335).

상기 S335 단계에서는, 처리장치(300)가 상기 광원(100)을 통해 방출되는 변조 처프신호

Figure 112020021307672-pat00305
를 푸리에 변환하여 변조 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00306
를 산출할 수 있다. 상술한 바와 같이, 처리장치(300)는 광원(100)과 연결되어 있기 때문에, 처리장치(300)는 광원(100)을 통해 방출되는 변조 처프신호의 형태를 알 수 있고, 나아가 광원(100)을 통해 방출되는 변조 처프신호를 제어할 수도 있다. 이와 같이, 처리장치(300)가 광원(100)을 통해 방출되는 변조 처프신호의 형태를 알 수 있기 때문에, 처리장치(300)는 변조 처프신호
Figure 112020021307672-pat00307
로부터 변조 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00308
를 산출할 수 있다. In step S335, the processing device 300 is a modulated chirp signal emitted through the light source 100
Figure 112020021307672-pat00305
Modulated chirped signal spectrum by Fourier transform
Figure 112020021307672-pat00306
can be calculated. As described above, since the processing device 300 is connected to the light source 100 , the processing device 300 can know the shape of the modulated chirp signal emitted through the light source 100 , and furthermore, the light source 100 . It is also possible to control the modulated chirp signal emitted through As such, since the processing device 300 can know the shape of the modulated chirp signal emitted through the light source 100 , the processing device 300 generates the modulated chirp signal.
Figure 112020021307672-pat00307
Modulated chirp signal spectrum from
Figure 112020021307672-pat00308
can be calculated.

또는, 상기 S335 단계에서는, 상기 광원(100)을 통해 방출되는 변조 처프신호

Figure 112020021307672-pat00309
에서 상기 변조 처프신호의 DC 성분을 제거하여 DC 성분이 제거된 변조 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00310
를 산출할 수도 있다. Alternatively, in step S335, the modulated chirp signal emitted through the light source 100
Figure 112020021307672-pat00309
The modulated chirp signal spectrum from which the DC component is removed by removing the DC component of the modulated chirp signal in
Figure 112020021307672-pat00310
can also be calculated.

처리장치(300)는 광원(100)을 통해 방출되는 변조 처프신호

Figure 112020021307672-pat00311
에서 상기 변조 처프신호의 DC 성분을 제거하여 DC 성분이 제거된 변조 처프신호
Figure 112020021307672-pat00312
를 산출하고, 이후 상기 DC 성분이 제거된 변조 처프신호
Figure 112020021307672-pat00313
를 푸리에 변환하여 DC 성분이 제거된 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00314
를 산출할 수 있다.The processing device 300 is a modulated chirp signal emitted through the light source 100 .
Figure 112020021307672-pat00311
The modulated chirp signal from which the DC component is removed by removing the DC component of the modulated chirp signal in
Figure 112020021307672-pat00312
, and then the modulated chirp signal from which the DC component is removed.
Figure 112020021307672-pat00313
chirp signal spectrum from which the DC component has been removed by Fourier transform
Figure 112020021307672-pat00314
can be calculated.

또는, 처리장치(300)는 광원(100)을 통해 방출되는 변조 처프신호

Figure 112020021307672-pat00315
를 푸리에 변환하여 변조 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00316
를 산출하고, 이후 상기 변조 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00317
에서 처프신호
Figure 112020021307672-pat00318
의 DC 성분을 제거하여 변조 처프신호 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00319
를 산출할 수도 있다. Alternatively, the processing device 300 is a modulated chirp signal emitted through the light source 100 .
Figure 112020021307672-pat00315
Modulated chirped signal spectrum by Fourier transform
Figure 112020021307672-pat00316
, and then the modulated chirped signal spectrum
Figure 112020021307672-pat00317
chirp signal from
Figure 112020021307672-pat00318
Modulated chirped signal spectrum by removing the DC component of
Figure 112020021307672-pat00319
can also be calculated.

상기 S335 단계 이후에는, 처리장치(300)가 광음향 측정기(200)의 전달함수

Figure 112020021307672-pat00320
와, 광음향 측정기(200)의 모양 및 광 흡수체(20)의 모양에 따라 결정되는 공간적 광음향 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00321
중 적어도 어느 하나를, 상기 S335 단계에서 산출한 변조 처프신호 스펙트럼에 곱한 값을 이용하여, 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행한다(S336). After the step S335, the processing device 300 is the transfer function of the photoacoustic meter 200
Figure 112020021307672-pat00320
and a spatial photoacoustic spectrum determined according to the shape of the photoacoustic meter 200 and the shape of the light absorber 20 .
Figure 112020021307672-pat00321
Matched filtering of the photoacoustic signal is performed using at least one of the values multiplied by the modulated chirped signal spectrum calculated in step S335 (S336).

처리장치(300)는 광음향 측정기(200)와 연결되어 있기 때문에, 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호를 획득할 수 있다. 또한, 처리장치(300) 내에는 광음향 측정기(200)의 전달함수

Figure 112020021307672-pat00322
및 공간적 광음향 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00323
중 적어도 어느 하나가 저장되어 있을 수 있다. 이에 따라, 처리장치(300)는 정합 필터링 함수
Figure 112020021307672-pat00324
를 통해 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행할 수 있다. 도 11에 관해 상술한 바와 마찬가지로, 이 경우에도 상기 정합 필터링 함수
Figure 112020021307672-pat00325
에서
Figure 112020021307672-pat00326
Figure 112020021307672-pat00327
는 각각
Figure 112020021307672-pat00328
의 스펙트럼에 더 가까워질수록 광음향 신호의 신호 대 잡음비는 더 향상될 수 있다. Since the processing device 300 is connected to the photoacoustic meter 200 , it is possible to obtain a photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200 . In addition, in the processing device 300, the transfer function of the photoacoustic meter 200
Figure 112020021307672-pat00322
and spatial optoacoustic spectrum
Figure 112020021307672-pat00323
At least one of them may be stored. Accordingly, the processing device 300 is a matched filtering function
Figure 112020021307672-pat00324
Through this, matched filtering processing of the optoacoustic signal can be performed. As described above with respect to FIG. 11 , in this case as well, the matched filtering function
Figure 112020021307672-pat00325
at
Figure 112020021307672-pat00326
and
Figure 112020021307672-pat00327
are each
Figure 112020021307672-pat00328
As it gets closer to the spectrum of the optoacoustic signal, the signal-to-noise ratio of the optoacoustic signal can be further improved.

도 19는 주파수가 1MHz에서 5MHz까지 변하는 변조 처프신호가 광 흡수체에 흡수될 경우, 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호를 처리장치(300)가

Figure 112020021307672-pat00329
,
Figure 112020021307672-pat00330
,
Figure 112020021307672-pat00331
Figure 112020021307672-pat00332
로 각각 정합 필터링 처리를 수행하였을 때 산출되는 정합 필터링된 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다. 도 19에서 알 수 있듯이,
Figure 112020021307672-pat00333
Figure 112020021307672-pat00334
이 각각
Figure 112020021307672-pat00335
의 스펙트럼에 더 가까울수록 광음향 신호의 신호 대 잡음비가 향상될 수 있다. 19 shows that when a modulated chirp signal whose frequency is changed from 1 MHz to 5 MHz is absorbed by the optical absorber, the processing device 300 processes the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200.
Figure 112020021307672-pat00329
,
Figure 112020021307672-pat00330
,
Figure 112020021307672-pat00331
and
Figure 112020021307672-pat00332
It is a diagram showing the signal-to-noise ratio of the matched-filtered optoacoustic signal calculated when each matched filtering process is performed. As can be seen in Figure 19,
Figure 112020021307672-pat00333
and
Figure 112020021307672-pat00334
each of these
Figure 112020021307672-pat00335
The closer to the spectrum of , the better the signal-to-noise ratio of the optoacoustic signal.

또한, 도 8 및 도 19에서 알 수 있듯이, 처리장치(300)가 정합 필터링 함수

Figure 112020021307672-pat00336
를 통해 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행함으로써,
Figure 112020021307672-pat00337
를 통해 상기 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행하던 종래 방법에 비해, 상기 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있다. In addition, as can be seen in FIGS. 8 and 19 , the processing unit 300 performs the matched filtering function
Figure 112020021307672-pat00336
By performing matched filtering processing of the photoacoustic signal through
Figure 112020021307672-pat00337
Compared to the conventional method of performing matched filtering of the photoacoustic signal through

추가적으로,

Figure 112020021307672-pat00338
에서
Figure 112020021307672-pat00339
대신
Figure 112020021307672-pat00340
를 이용하여도 도 19와 동일한 결과가 도출된다. 이는 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 광음향 측정기(200)의 전달함수
Figure 112020021307672-pat00341
의 DC 부분, 그리고 공간적 광음향 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00342
의 DC 부분이 0에 매우 근접하기 때문이다.Additionally,
Figure 112020021307672-pat00338
at
Figure 112020021307672-pat00339
instead
Figure 112020021307672-pat00340
The same result as in FIG. 19 is derived even by using . This is the transfer function of the photoacoustic meter 200 as shown in FIGS. 2 and 3 .
Figure 112020021307672-pat00341
The DC portion of the, and spatial optoacoustic spectrum
Figure 112020021307672-pat00342
This is because the DC part of is very close to zero.

한편, 도 20은 주파수가 1.5MHz에서 4MHz까지 변하는 변조 처프신호가 광 흡수체(20)에 흡수될 경우, 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호를 처리장치(300)가

Figure 112020021307672-pat00343
,
Figure 112020021307672-pat00344
Figure 112020021307672-pat00345
로 각각 정합 필터링 처리를 수행하였을 때 산출되는 정합 필터링된 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다. On the other hand, FIG. 20 shows that when a modulated chirp signal whose frequency varies from 1.5 MHz to 4 MHz is absorbed by the optical absorber 20 , the processing device 300 processes the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200 .
Figure 112020021307672-pat00343
,
Figure 112020021307672-pat00344
and
Figure 112020021307672-pat00345
It is a diagram showing the signal-to-noise ratio of the matched-filtered optoacoustic signal calculated when each matched filtering process is performed.

도 20에 나타낸 정합 필터링 함수들은 도 18에 나타낸 정합 필터링 함수들과 동일하다. 다만, 도 18에서는 주파수가 1MHz에서 5MHz까지 변하는 변조 처프신호가 광원(100)을 통해 방출되어 광 흡수체(20)에 흡수된 것임에 반하여, 도 20에서는 주파수가 1.5MHz에서 4MHz까지 변하는 변조 처프신호가 광원(100)을 통해 방출되어 광 흡수체(20)에 흡수된 것이다.The matched filtering functions shown in FIG. 20 are the same as the matched filtering functions shown in FIG. 18 . However, in FIG. 18, the modulated chirp signal whose frequency varies from 1 MHz to 5 MHz is emitted through the light source 100 and absorbed by the light absorber 20, whereas in FIG. 20, the modulated chirped signal whose frequency varies from 1.5 MHz to 4 MHz. is emitted through the light source 100 and absorbed by the light absorber 20 .

도 18 및 도 20을 비교하면, 광음향 신호의 신호 대 잡음비는 주파수가 1MHz에서 5MHz까지 변하는 변조 처프신호가 광 흡수체(20)에 흡수되는 경우에 비해, 주파수가 1.5MHz에서 4MHz까지 변하는 변조 처프신호가 광 흡수체(20)에 흡수되는 경우가 더 향상된다는 것을 알 수 있다. Comparing FIGS. 18 and 20 , the signal-to-noise ratio of the optoacoustic signal is compared with the case where the modulation chirp signal whose frequency varies from 1 MHz to 5 MHz is absorbed by the optical absorber 20, the modulation chirp whose frequency varies from 1.5 MHz to 4 MHz. It can be seen that the case where the signal is absorbed by the light absorber 20 is further improved.

또 다른 예로서, 도 21은 주파수가 1.5MHz에서 4MHz까지 변하는 변조 처프신호가 광 흡수체(20)에 흡수될 경우, 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호를 처리장치(300)가

Figure 112020021307672-pat00346
,
Figure 112020021307672-pat00347
,
Figure 112020021307672-pat00348
Figure 112020021307672-pat00349
로 각각 정합 필터링 처리를 수행하였을 때 산출되는 정합 필터링된 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다. As another example, FIG. 21 shows that when a modulated chirp signal whose frequency varies from 1.5 MHz to 4 MHz is absorbed by the optical absorber 20, the processing device 300 processes the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter 200.
Figure 112020021307672-pat00346
,
Figure 112020021307672-pat00347
,
Figure 112020021307672-pat00348
and
Figure 112020021307672-pat00349
It is a diagram showing the signal-to-noise ratio of the matched-filtered optoacoustic signal calculated when each matched filtering process is performed.

도 21에 나타낸 정합 필터링 함수들은 도 19에 나타낸 정합 필터링 함수들과 동일하다. 다만, 도 19에서는 주파수가 1MHz에서 5MHz까지 변하는 변조 처프신호가 광원(100)을 통해 방출되어 광 흡수체(20)에 흡수된 것임에 반하여, 도 21에서는 주파수가 1.5MHz에서 4MHz까지 변하는 변조 처프신호가 광원(100)을 통해 방출되어 광 흡수체(20)에 흡수된 것이다.The matched filtering functions shown in FIG. 21 are the same as the matched filtering functions shown in FIG. 19 . However, in FIG. 19, the modulated chirp signal whose frequency varies from 1 MHz to 5 MHz is emitted through the light source 100 and absorbed by the light absorber 20, whereas in FIG. 21, the modulated chirp signal whose frequency varies from 1.5 MHz to 4 MHz is emitted through the light source 100 and absorbed by the light absorber 20 .

도 19 및 도 21을 비교하면, 광음향 신호의 신호 대 잡음비는 주파수가 1MHz에서 5MHz까지 변하는 변조 처프신호가 광 흡수체(20)에 흡수되는 경우에 비해, 주파수가 1.5MHz에서 4MHz까지 변하는 변조 처프신호가 광 흡수체(20)에 흡수되는 경우가 더 향상된다는 것을 알 수 있다. 19 and 21, the signal-to-noise ratio of the optoacoustic signal is compared to the case where the modulation chirp signal whose frequency varies from 1 MHz to 5 MHz is absorbed by the optical absorber 20 It can be seen that the case where the signal is absorbed by the light absorber 20 is further improved.

광 흡수체(20)에 흡수되는 변조 처프신호의 주파수 범위는 광음향 측정기(200)의 전달함수

Figure 112020021307672-pat00350
와, 광음향 측정기(200)의 모양 및 광 흡수체(20)의 모양에 따라 결정되는 공간적 광음향 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00351
과 밀접한 관련이 있다. 즉, 도 11에 의하면, 광음향 측정기(200)의 전달함수
Figure 112020021307672-pat00352
와 공간적 광음향 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00353
를 곱한 값의 절대값이 최대가 되는 주파수는 약 2.5MHz이며, 이때 광원(100)을 통해 방출되는 변조 처프신호의 주파수 범위가 약 2.5MHz를 중심으로 해서 보다 더 협소한 범위로 설정될수록 광음향 신호의 신호 대 잡음비가 향상될 수 있게 된다. The frequency range of the modulated chirp signal absorbed by the optical absorber 20 is a transfer function of the photoacoustic meter 200 .
Figure 112020021307672-pat00350
and a spatial photoacoustic spectrum determined according to the shape of the photoacoustic meter 200 and the shape of the light absorber 20 .
Figure 112020021307672-pat00351
is closely related to That is, according to FIG. 11 , the transfer function of the photoacoustic meter 200 is
Figure 112020021307672-pat00352
and spatial optoacoustic spectrum
Figure 112020021307672-pat00353
The frequency at which the absolute value of the multiplied value becomes the maximum is about 2.5 MHz. At this time, as the frequency range of the modulated chirp signal emitted through the light source 100 is set to a narrower range centered on about 2.5 MHz, the more optoacoustic The signal-to-noise ratio of the signal can be improved.

이를 달리 말하면, 광원(100)을 통해 방출되는 변조 처프신호의 주파수 범위가 광음향 측정기(200)의 전달함수

Figure 112020021307672-pat00354
와 공간적 광음향 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00355
를 곱한 값의 절대값이 최대가 되는 주파수를 포함하지 않을 경우에는 광음향 신호의 신호 대 잡음비가 낮아지게 된다는 것을 의미한다. In other words, the frequency range of the modulated chirp signal emitted through the light source 100 is the transfer function of the photoacoustic meter 200 .
Figure 112020021307672-pat00354
and spatial optoacoustic spectrum
Figure 112020021307672-pat00355
If the absolute value of the multiplied value does not include the maximum frequency, it means that the signal-to-noise ratio of the photoacoustic signal is lowered.

따라서, 광원(100)을 통해 방출되는 변조 처프신호의 주파수 범위는 광음향 측정기(200)의 전달함수

Figure 112020021307672-pat00356
와 공간적 광음향 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00357
를 곱한 값의 절대값이 최대가 되는 주파수를 포함하는 것이 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는데 있어서 유리하다. Therefore, the frequency range of the modulated chirp signal emitted through the light source 100 is the transfer function of the photoacoustic meter 200 .
Figure 112020021307672-pat00356
and spatial optoacoustic spectrum
Figure 112020021307672-pat00357
It is advantageous in improving the signal-to-noise ratio of the optoacoustic signal to include the frequency at which the absolute value of the multiplied value is maximized.

도 20 및 도 21에 관해 상술한 사항이 비단 변조 처프신호에만 적용되는 것은 아니다. 즉, 변조 처프신호뿐만 아니라, 시간에 따라 포락선이 일정한 처프신호의 주파수 범위 또한 광음향 측정기(200)의 전달함수

Figure 112020021307672-pat00358
와 공간적 광음향 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00359
과 밀접한 관련이 있다. 즉, 광원(100)을 통해 방출되는 처프신호의 주파수 범위 역시 광음향 측정기(200)의 전달함수
Figure 112020021307672-pat00360
와 공간적 광음향 스펙트럼
Figure 112020021307672-pat00361
를 곱한 값의 절대값이 최대가 되는 주파수를 포함하는 것이 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는데 있어서 유리하다. 20 and 21 are not applied only to the modulated chirp signal. That is, not only the modulated chirp signal, but also the frequency range of the chirped signal having a constant envelope over time, and the transfer function of the photoacoustic meter 200 .
Figure 112020021307672-pat00358
and spatial optoacoustic spectrum
Figure 112020021307672-pat00359
is closely related to That is, the frequency range of the chirp signal emitted through the light source 100 is also the transfer function of the photoacoustic meter 200 .
Figure 112020021307672-pat00360
and spatial optoacoustic spectrum
Figure 112020021307672-pat00361
It is advantageous in improving the signal-to-noise ratio of the optoacoustic signal to include the frequency at which the absolute value of the multiplied value is maximized.

이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미, 범위 및 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 내지 변형된 형태는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.It should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the following claims rather than the above detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning, scope, and equivalent concept of the claims should be construed as being included in the scope of the present invention.

10: 광 확산매체
20: 광 흡수체
100: 광원
200: 광음향 측정기
300: 처리장치
10: light diffusion medium
20: light absorber
100: light source
200: photoacoustic meter
300: processing unit

Claims (13)

삭제delete 삭제delete 광원을 통해 방출되는 처프신호를 광 확산매체에 조사하여 상기 광 확산매체의 내부에 위치하는 광 흡수체에 흡수시키는 단계;
광음향 측정기를 이용하여 상기 처프신호로 인해 상기 광 흡수체에서 발생하는 광음향 신호를 측정하는 단계; 및
상기 광원 및 상기 광음향 측정기와 연결되는 처리장치가 상기 광음향 측정기에 의해 측정된 광음향 신호를 입력받아, 상기 광음향 신호를 주파수 영역에서 정합 필터링 처리를 수행하여 정합 필터링된 광음향 신호를 산출하는 단계;를 포함하며,
상기 광원을 통해 방출되는 처프신호는 시간에 따라 포락선이 일정하고,
상기 정합 필터링된 광음향 신호를 산출하는 단계는,
상기 처리장치가 상기 처프신호를 이용하여 처프신호 스펙트럼을 산출하는 단계; 및
상기 처리장치가 상기 광음향 측정기의 전달함수와, 상기 광음향 측정기의 모양 및 상기 광 흡수체의 모양에 따라 결정되는 공간적 광음향 스펙트럼 중 적어도 어느 하나를, 상기 처프신호 스펙트럼에 곱한 값을 이용하여, 상기 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행하는 단계;를 포함하는 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법.
irradiating a chirp signal emitted through a light source to an optical diffusion medium and absorbing it into a light absorber positioned inside the optical diffusion medium;
measuring a photoacoustic signal generated from the optical absorber due to the chirped signal using a photoacoustic meter; and
The light source and the processing device connected to the photoacoustic meter receive the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter, perform matched filtering processing on the photoacoustic signal in the frequency domain, and calculate a matched filtered photoacoustic signal including;
The chirped signal emitted through the light source has a constant envelope over time,
Calculating the matched filtered photoacoustic signal comprises:
calculating, by the processing device, a chirped signal spectrum using the chirped signal; and
The processing device multiplies the chirp signal spectrum by at least any one of the transfer function of the photoacoustic meter, the spatial photoacoustic spectrum determined according to the shape of the photoacoustic meter and the shape of the light absorber, A method of improving the signal-to-noise ratio of the photoacoustic signal measured by an optoacoustic meter comprising; performing matched filtering processing on the photoacoustic signal.
제3항에 있어서,
상기 처프신호 스펙트럼을 산출하는 단계는,
상기 처리장치가 상기 처프신호를 푸리에 변환하여 상기 처프신호 스펙트럼을 산출하는 단계를 포함하는 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법.
4. The method of claim 3,
Calculating the chirp signal spectrum comprises:
The method of improving the signal-to-noise ratio of the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter comprising the step of the processing device Fourier transforming the chirped signal to calculate the chirped signal spectrum.
제3항에 있어서,
상기 처프신호 스펙트럼을 산출하는 단계는,
상기 처리장치가 상기 처프신호에서 상기 처프신호의 DC 성분을 제거하여 DC 성분이 제거된 처프신호 스펙트럼을 산출하는 단계를 포함하는 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법.
4. The method of claim 3,
Calculating the chirp signal spectrum comprises:
The method of improving the signal-to-noise ratio of the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter comprising the step of the processing device removing the DC component of the chirp signal from the chirp signal to calculate a chirped signal spectrum from which the DC component is removed.
제3항에 있어서,
상기 광원을 통해 방출되는 처프신호의 주파수 범위는,
상기 광음향 측정기의 전달함수와, 상기 광음향 측정기의 모양 및 상기 광 흡수체의 모양에 따라 결정되는 공간적 광음향 스펙트럼을 곱한 값의 절대값이 최대가 되는 주파수를 포함하는 것을 특징으로 하는 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법.
4. The method of claim 3,
The frequency range of the chirped signal emitted through the light source is,
A photoacoustic meter comprising a frequency at which an absolute value of a value obtained by multiplying a transfer function of the photoacoustic meter and a spatial photoacoustic spectrum determined according to the shape of the photoacoustic meter and the shape of the light absorber is maximized A method for improving the signal-to-noise ratio of an optoacoustic signal measured by
광원을 통해 방출되는 변조 처프신호를 광 확산매체에 조사하여 상기 광 확산매체의 내부에 위치하는 광 흡수체에 흡수시키는 단계;
광음향 측정기를 이용하여 상기 변조 처프신호로 인해 상기 광 흡수체에서 발생하는 광음향 신호를 측정하는 단계; 및
상기 광원 및 상기 광음향 측정기와 연결되는 처리장치가 상기 광음향 측정기에 의해 측정된 광음향 신호를 입력받아, 상기 광음향 신호를 주파수 영역에서 정합 필터링 처리를 수행하여 정합 필터링된 광음향 신호를 산출하는 단계;를 포함하며,
상기 광원을 통해 방출되는 변조 처프신호는 시간에 따라 포락선이 변하고,
상기 정합 필터링된 광음향 신호를 산출하는 단계는,
상기 처리장치가 상기 변조 처프신호를 이용하여 변조 처프신호 스펙트럼을 산출하는 단계; 및
상기 처리장치가 상기 광음향 측정기의 전달함수와, 상기 광음향 측정기의 모양 및 상기 광 흡수체의 모양에 따라 결정되는 공간적 광음향 스펙트럼 중 적어도 어느 하나를, 상기 변조 처프신호 스펙트럼에 곱한 값을 이용하여, 상기 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 수행하는 단계;를 포함하는 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법.
irradiating a modulated chirped signal emitted through a light source to an optical diffusion medium and absorbing it into a light absorber positioned inside the optical diffusion medium;
measuring a photoacoustic signal generated from the optical absorber due to the modulated chirp signal using a photoacoustic meter; and
The light source and the processing device connected to the photoacoustic meter receive the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter, perform matched filtering processing on the photoacoustic signal in the frequency domain, and calculate a matched filtered photoacoustic signal including;
The envelope of the modulated chirped signal emitted through the light source changes with time,
Calculating the matched filtered photoacoustic signal comprises:
calculating, by the processing device, a modulated chirped signal spectrum using the modulated chirped signal; and
The processing device multiplies the modulated chirped signal spectrum by at least one of the transfer function of the photoacoustic meter and the spatial photoacoustic spectrum determined according to the shape of the photoacoustic meter and the shape of the light absorber. , performing matched filtering processing of the photoacoustic signal; Method of improving the signal-to-noise ratio of the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter comprising the.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제7항에 있어서,
상기 변조 처프신호 스펙트럼을 산출하는 단계는,
상기 처리장치가 상기 변조 처프신호를 푸리에 변환하여 상기 변조 처프신호 스펙트럼을 산출하는 단계를 포함하는 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법.
8. The method of claim 7,
Calculating the modulated chirped signal spectrum comprises:
The method of improving the signal-to-noise ratio of the photoacoustic signal measured by the photoacoustic meter comprising the step of the processing device Fourier transforming the modulated chirped signal to calculate the modulated chirped signal spectrum.
제7항에 있어서,
상기 변조 처프신호 스펙트럼을 산출하는 단계는,
상기 처리장치가 상기 변조 처프신호에서 상기 변조 처프신호의 DC 성분을 제거하여 DC 성분이 제거된 변조 처프신호 스펙트럼을 산출하는 단계를 포함하는 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법.
8. The method of claim 7,
Calculating the modulated chirped signal spectrum comprises:
The processing device removes the DC component of the modulated chir signal from the modulated chir signal to calculate a modulated chirped signal spectrum from which the DC component is removed. how to do it.
제7항에 있어서,
상기 광원을 통해 방출되는 변조 처프신호의 주파수 범위는,
상기 광음향 측정기의 전달함수와, 상기 광음향 측정기의 모양 및 상기 광 흡수체의 모양에 따라 결정되는 공간적 광음향 스펙트럼을 곱한 값의 절대값이 최대가 되는 주파수를 포함하는 것을 특징으로 하는 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법.
8. The method of claim 7,
The frequency range of the modulated chirp signal emitted through the light source is,
A photoacoustic meter comprising a frequency at which an absolute value of a value obtained by multiplying a transfer function of the photoacoustic meter and a spatial photoacoustic spectrum determined according to the shape of the photoacoustic meter and the shape of the light absorber is maximized A method for improving the signal-to-noise ratio of an optoacoustic signal measured by
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