KR102303205B1 - 주파수 영역 광음향 측정에서 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법 - Google Patents

주파수 영역 광음향 측정에서 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의하면, 다수 개의 주기 신호 또는 다수 개의 처프 신호를 광 흡수체에 흡수시키고, 상기 광 흡수체에서 발생하여 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호를, 처리장치가 주파수 영역에서 결맞음 합산 방법 또는 비결맞음 합산 방법을 이용해서 정합 필터링 처리를 하도록 구성됨에 따라, 상기 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있게 된다.

Description

주파수 영역 광음향 측정에서 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법{METHOD FOR IMPROVING SIGNAL-TO-NOISE OF PHOTOACOUSTIC SIGNAL IN FREQUENCY-DOMAIN PHOTOACOUSTIC MEASUREMENTS}
본 발명은 광 흡수체의 위치나 특성 등을 파악하기 위해서 광 흡수체에 입사빔을 흡수시키는 경우에, 상기 광 흡수체에서 발생하여 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있는 방법에 관한 것이다.
일반적인 광음향 측정에서는, 광 확산 매체(예를 들어, 생체 조직 등)의 내부에 위치하는 광 흡수체(예를 들어, 혈관, 종양 등)의 위치나 특성 등을 파악하기 위해서, 광 확산 매체의 외부에 위치하는 광원을 통해 입사빔을 방출시켜 광 확산 매체에 조사한다. 광 확산 매체에 조사되는 입사빔은 광 확산 매체 내부에서 산란이 일어나게 되며, 이에 따라 광 흡수체에는 입사빔 중 일부만이 흡수되게 된다.
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 확산 매체의 외부에 위치하는 광음향 측정기로 측정하며, 상기 광음향 측정기에 의해 측정된 광음향 신호를 처리장치를 통해 처리함으로써 광 흡수체의 위치나 특성 등을 파악하는데 이용한다.
광 흡수체에서 발생하는 광음향 신호의 세기는 광 흡수체의 광 흡수계수, 그리고 상기 광 흡수체에 도달하는 입사빔의 세기에 각각 비례한다. 다만, 광원을 통해 방출되는 입사빔의 세기는 제한적이고, 광 확산 매체 내부에서는 산란 등으로 인해 입사빔의 세기가 지수함수적으로 감소하기 때문에, 광 흡수체에서 발생하는 광음향 신호의 세기는 매우 미약하다. 또한, 광음향 측정 시, 열에 의한 광음향 잡음(즉, 광음향 열 잡음)이 항상 존재하기 마련이며, 광 흡수체에서 발생된 광음향 신호가 광 확산 매체의 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.
광 확산 매체의 외부에 위치하는 광원에서 방출되는 입사빔의 형태는 크게 펄스 신호와, 시간에 따라 입사빔의 세기가 연속적으로 변하는 신호(이하, '연속적으로 변하는 신호'라 함)로 나눌 수 있다.
우선, 광원에서 방출되는 입사빔으로서 펄스 신호를 사용하게 되면, 연속적으로 변하는 신호를 사용하는 경우에 비해, 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비가 높다. 이 높은 신호 대 잡음비 특성 때문에 지금까지 거의 모든 광음향 측정의 응용 분야들에서는 광원에서 방출되는 입사빔으로서 펄스 신호를 사용해왔다. 하지만 분광학적 광음향 측정을 위해 파장 가변형의 펄스 신호를 생성하는 OPO(Optical Parametric Oscillator) 등의 레이저는 크기가 클 뿐만 아니라 가격도 매우 고가이다. 더구나 이와 같은 레이저의 펄스 반복률(repetition rate)은 통상 수십 Hz 정도에 불과하기 때문에, 광 확산 매체 또는 광 흡수체의 실시간 모니터링과 같은 빠른 측정이 매우 어렵다는 문제점이 있다.
이에 반해, 광원에서 방출되는 입사빔으로서 연속적으로 변하는 신호를 사용하게 되면, 기존의 저가 및 소형의 레이저 다이오드를 광원으로 이용할 수 있다. 그리고 이러한 레이저 다이오드는 구현 가능한 파장대가 매우 넓고, 동작 속도 또한 매우 빠르기 때문에, 광 확산 매체 또는 광 흡수체의 실시간 모니터링과 같은 빠른 측정이 가능한 이점이 있다.
연속적으로 변하는 신호의 가장 간단한 형태는 정현파 신호이다. 다만, 정현파 신호는 펄스 신호에 비해 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비가 낮을 뿐만 아니라, 광 확산 매체의 내부에 위치하는 광 흡수체의 위치를 정확하게 파악해내기 어렵다는 단점이 있다.
이러한 단점을 보완하기 위해 최근 들어 연속적으로 변하는 신호의 형태 중 하나인 처프(chirp) 신호를 광음향 측정에 사용하는 것이 고려되었다. 광원에서 방출되는 입사빔으로서 처프 신호를 사용하게 되면, 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비가 정현파 신호를 사용하는 경우에 비해 향상될 뿐만 아니라, 광 흡수체의 위치 역시 비교적 정확하게 파악해낼 수 있다. 하지만 이와 같이 입사빔으로서 처프 신호를 사용하는 경우라 하더라도, 입사빔으로서 펄스 신호를 사용하는 경우에 비해서는 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비가 적어도 20~40dB 정도 낮다는 문제점이 있다.
한국 등록특허공보 제1730816호(2017.04.21)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 연속적으로 변하는 신호를 광 확산 매체에 조사되는 입사빔으로 사용함으로써, 저가 및 소형의 광원을 이용할 수 있도록 하고, 광 확산 매체 또는 광 흡수체의 실시간 모니터링과 같은 빠른 측정이 가능하도록 함과 동시에, 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있는 방법을 제공하는 것에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 주파수 영역 광음향 측정에서 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법은, (a) 처리장치가 광원을 통해 방출될 주기 신호(예를 들어, 정현파 신호, 구형파 신호 또는 톱니파 신호 등)의 주파수를 상이하게 다수 개 선택하는 단계; (b) 상기 광원이 상기 처리장치에 의해 선택된 다수 개의 주파수를 갖는 주기 신호 각각을 광 확산 매체로 방출하여, 상기 광 확산 매체의 내부에 위치하는 광 흡수체에 흡수시키는 단계; (c) 상기 다수 개의 주파수를 갖는 주기 신호 각각이 상기 광 흡수체에 흡수됨에 따라 발생하는 다수 개의 광음향 신호를 광음향 측정기가 측정하는 단계; 및 (d) 상기 처리장치가 상기 광음향 측정기에 의해 측정된 다수 개의 광음향 신호를 주파수 영역에서 비결맞음 합산 방법으로 처리하는 단계를 포함하고, 상기 광원에서 방출될 주기 신호는, 그 입사빔의 세기가 시간에 따라 변하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 (d) 단계는, (d11) 상기 주파수 영역에서 상기 다수 개의 광음향 신호를 합산하여 광음향 신호 합산값을 산출하는 단계; 및 (d12) 상기 광음향 신호 합산값을, 상기 다수 개의 주파수를 갖는 주기 신호를 이용해서 정합 필터링 처리하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, (d12) 단계는, 상기 주파수 영역에서 상기 다수 개의 주파수를 갖는 주기 신호 각각의 컨쥬게이트값을 합산한 주기 신호의 컨쥬게이트 합산값에 의해, 상기 광음향 신호 합산값의 정합 필터링 처리가 이루어지는 것일 수 있다.
또는, 상기 (d) 단계는, (d21) 상기 주파수 영역에서 상기 다수 개의 광음향 신호 각각을, 상기 각각의 광음향 신호를 발생시키는데 기인한 상기 주기 신호를 이용해서 정합 필터링 처리를 하여 유닛 광음향 스펙트럼 다수 개를 산출하는 단계; 및 (d22) 상기 유닛 광음향 스펙트럼 다수 개를 합산하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 (d21) 단계는, 상기 주파수 영역에서 상기 각각의 광음향 신호를 발생시키는데 기인한 상기 주기 신호의 컨쥬게이트값에 의해, 상기 각각의 광음향 신호의 정합 필터링 처리가 이루어지는 것일 수 있다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 주파수 영역 광음향 측정에서 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법은, (a') 처리장치가 광원을 통해 방출될 처프 신호의 주파수 범위를 상이하게 다수 개 선택하는 단계; (b') 상기 광원이 상기 처리장치에 의해 선택된 다수 개의 주파수 범위를 갖는 처프 신호 각각을 광 확산 매체로 방출하여, 상기 광 확산 매체의 내부에 위치하는 광 흡수체에 흡수시키는 단계; (c') 상기 다수 개의 주파수 범위를 갖는 처프 신호 각각이 상기 광 흡수체에 흡수됨에 따라 발생하는 다수 개의 광음향 신호를 광음향 측정기가 측정하는 단계; 및 (d') 상기 처리장치가 상기 광음향 측정기에 의해 측정된 다수 개의 광음향 신호를 주파수 영역에서 처리하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 (d') 단계는, (d11') 상기 주파수 영역에서 상기 다수 개의 광음향 신호를 합산하여 광음향 신호 합산값을 산출하는 단계; 및 (d12') 상기 광음향 신호 합산값을, 상기 다수 개의 주파수 범위를 갖는 처프 신호를 이용해서 정합 필터링 처리하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 (d12') 단계는, 상기 주파수 영역에서 상기 다수 개의 주파수 범위를 갖는 처프 신호 각각의 컨쥬게이트값을 합산한 처프 신호의 컨쥬게이트 합산값에 의해, 상기 광음향 신호 합산값의 정합 필터링 처리가 이루어지는 것일 수 있다.
또는, 상기 (d') 단계는, (d21') 상기 주파수 영역에서 상기 다수 개의 광음향 신호 각각을, 상기 각각의 광음향 신호를 발생시키는데 기인한 상기 처프 신호를 이용해서 정합 필터링 처리를 하여 유닛 광음향 스펙트럼 다수 개를 산출하는 단계; 및 (d22') 상기 유닛 광음향 스펙트럼 다수 개를 합산하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 (d21') 단계는, 상기 주파수 영역에서 상기 각각의 광음향 신호를 발생시키는데 기인한 상기 처프 신호의 컨쥬게이트값에 의해, 상기 각각의 광음향 신호의 정합 필터링 처리가 이루어지는 것일 수 있다.
본 발명에 의하면, 연속적으로 변하는 신호인 주기 신호 또는 처프 신호를 광 확산 매체에 조사되는 입사빔으로 사용하도록 구성됨에 따라, 저가 및 소형의 광원을 이용할 수 있고, 광 확산 매체 또는 광 흡수체의 실시간 모니터링과 같은 빠른 측정이 가능하다는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 다수 개의 주기 신호 또는 다수 개의 처프 신호를 광 흡수체에 흡수시키고, 상기 광 흡수체에서 발생하여 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호를 처리장치가 주파수 영역에서 처리(구체적으로는, 결맞음 합산 방법 또는 비결맞음 합산 방법을 이용해서 정합 필터링 처리)하도록 구성됨에 따라, 상기 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 주파수 영역 광음향 측정에서 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법을 실현하는 시스템의 개략도이다.
도 2는 중심 주파수가 3MHz인 광음향 측정기의 전달 함수
Figure 112020040830360-pat00001
의 특성을 나타낸 도면이다.
도 3은 초점 거리가 20mm이고, 개구수(NA)가 0.35인 구면 초점을 갖는 광음향 측정기로 반지름이 2mm인 구형 광 흡수체(20)를 측정한 경우에, 광음향 측정기의 모양 및 광 흡수체의 모양에 따라 결정되는 공간적 광음향 스펙트럼
Figure 112020040830360-pat00002
를 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 수학식 10에 따른 처프 신호를 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 수학식 11에 따른 정현파 신호를 개략적으로 나타낸 그래프이다.
도 6은 주파수가 1MHz인 정현파 신호, 구형파 신호 및 톱니파 신호를 나타낸 그래프이다.
도 7은 광원을 통해 방출되는 처프 신호의 선폭 T가 0.25~1.5msec일 때, 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비와, 상기 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 평균한 결과를 나타낸 도면이다.
도 8a는 선폭 T=250μsec일 때 주파수가 1MHz에서 5MHz까지 변하는 처프 신호가 광 흡수체에 흡수될 경우, 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호를 처리장치가
Figure 112020040830360-pat00003
로 정합 필터링을 하였을 때, 잡음이 포함되지 않은 이상적인 광음향 신호를 나타낸 도면이다.
도 8b는 선폭 T=250μsec일 때 주파수가 1MHz에서 5MHz까지 변하는 처프 신호가 광 흡수체에 흡수될 경우, 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호를 처리장치가
Figure 112020040830360-pat00004
로 정합 필터링을 하였을 때, 잡음이 포함된 광음향 신호를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 주파수 영역 광음향 측정에서 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법의 흐름도이다.
도 10은 다수 개의 상이한 주파수를 갖는 정현파 신호를 광 흡수체에 흡수시킨 뒤, 결맞음 합산 방법으로 획득한 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다.
도 11은 다수 개의 상이한 주파수를 갖는 정현파 신호를 광 흡수체에 흡수시킨 뒤, 비결맞음 합산 방법으로 획득한 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다.
도 12a는 선폭 T=20μsec인 경우에 대해 결맞음 합산 방법으로 계산된 잡음이 없는 이상적인 광음향 신호를 나타낸 도면이다.
도 12b는 선폭 T=20μsec인 경우에 대해 결맞음 합산 방법으로 계산된 잡음이 포함된 광음향 신호를 나타낸 도면이다.
도 13a는 선폭 T=20μsec인 경우에 대해 비결맞음 합산 방법으로 계산된 잡음이 없는 이상적인 광음향 신호를 나타낸 도면이다.
도 13b는 선폭 T=20μsec인 경우에 대해 비결맞음 합산 방법으로 계산된 잡음이 포함된 광음향 신호를 나타낸 도면이다.
도 14는 다수 개의 상이한 주파수를 갖는 구형파 신호를 광 흡수체에 흡수시킨 뒤, 결맞음 합산 방법으로 획득한 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다.
도 15는 다수 개의 상이한 주파수를 갖는 구형파 신호를 광 흡수체에 흡수시킨 뒤, 비결맞음 합산 방법으로 획득한 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다.
도 16은 다수 개의 상이한 주파수를 갖는 톱니파 신호를 광 흡수체에 흡수시킨 뒤, 결맞음 합산 방법으로 획득한 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다.
도 17은 다수 개의 상이한 주파수를 갖는 톱니파 신호를 광 흡수체에 흡수시킨 뒤, 비결맞음 합산 방법으로 획득한 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다.
도 18은 본 발명의 제2 실시예에 따른 주파수 영역 광음향 측정에서 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법의 흐름도이다.
도 19는 다수 개의 상이한 주파수 범위를 갖는 처프 신호를 광 흡수체에 흡수시킨 뒤, 결맞음 합산 방법으로 획득한 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다.
도 20은 다수 개의 상이한 주파수 범위를 갖는 처프 신호를 광 흡수체에 흡수시킨 뒤, 비결맞음 합산 방법으로 획득한 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 주파수 영역 광음향 측정에서 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.
도 1은 본 발명에 따른 주파수 영역 광음향 측정에서 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법을 실현하는 시스템의 개략도로서, 상기 시스템은 광원(100), 광음향 측정기(200) 및 처리장치(300)를 포함하여 이루어질 수 있다.
광원(100)에서는 광 확산 매체(10)로 입사빔을 방출하며, 상기 입사빔은 후술하는 바와 같이 주기 신호 또는 처프 신호일 수 있다.
광원(100)에서 광 확산 매체(10)로 방출되는 입사빔은 광 확산 매체(10) 내에서 전파 및 확산되며, 광 확산 매체(10)의 유효산란계수(μeff)에 의해 그 세기가 지수적으로 감쇄되면서 광 흡수체(20)에 도달하게 된다.
광원(100)에서 주기 신호 또는 처프 신호와 같은 입사빔이 방출될 경우 그 입사빔의 세기는 시간에 따라 변하게 된다. 광 확산 매체(10)로 방출되는 입사빔은 광 확산 매체(10)의 내부에 위치하는 광 흡수체(20)에 흡수된다. 광 흡수체(20)는 입사빔을 흡수함에 따라 열 팽창 현상으로 인해 물리적으로 팽창과 수축을 반복하게 되며, 이 과정에서 광음향 신호(예를 들어, 초음파 신호)를 발생시키게 된다.
광음향 측정기(200)는 광 확산 매체(10)의 외부에 위치하며, 광 흡수체(20)에서 발생하는 광음향 신호를 측정한다. 광음향 측정기(200)가 측정하는 광음향 신호에는 광 흡수체(20)에서 발생하는 이상적인 광음향 신호(즉, 잡음이 포함되어 있지 않은 광음향 신호를 의미함)과 잡음값(즉, 후술하는 광음향 잡음값을 의미함)이 혼합되어 있다.
광원(100)에서 광 확산 매체(10)로 I(t)의 세기를 갖는 입사빔이 방출될 경우, 광 확산 매체(10)의 내부에 위치하는 광 흡수체(20)에 흡수되는 광 에너지의 공간적 분포가
Figure 112020040830360-pat00005
로 나타난다고 가정하기로 한다. 상기 광 흡수체(20)에 흡수되는 광 에너지의 공간적 분포
Figure 112020040830360-pat00006
에서
Figure 112020040830360-pat00007
는 광 확산 매체(10)의 임의의 원점(도 1의 ○)에서 광 흡수체(20)까지의 벡터를 나타낸다.
그리고 광 확산 매체(10)의 외부에 위치하며, 구면 초점을 갖는 광음향 측정기(200)의 표면 분포 함수를
Figure 112020040830360-pat00008
라고 가정하기로 한다. 상기 광음향 측정기(200)의 표면 분포 함수
Figure 112020040830360-pat00009
에서
Figure 112020040830360-pat00010
는 광 확산 매체(10)의 임의의 원점(도 1의 ○)에서 광음향 측정기(200) 표면까지의 벡터를 나타낸다.
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.
[수학식 1]
Figure 112020040830360-pat00011
수학식 1에서 Γ는 그루나이젠 상수이고, cs는 초음파의 속력이다. 이하의 시뮬레이션에서는 통상적인 생체 조직(광 확산 매체)을 고려하여 Γ를 0.24, cs를 1500m/s로 정하였다. 또한, 수학식 1에서 d3ro는 광 확산 매체(10)의 임의의 원점(도 1의 ○)에서 광 흡수체(20)까지의 3차원 적분을 위한 적분 기호이고, d3rd는 광 확산 매체(10)의 임의의 원점(도 1의 ○)에서 광음향 측정기(200) 표면까지의 3차원 적분을 위한 적분 기호이다.
수학식 1에서 광 흡수체(20)에 흡수되는 광 에너지의 공간적 분포
Figure 112020040830360-pat00012
는 다음의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112020040830360-pat00013
수학식 2에서 μa는 광 흡수체(20)의 광 흡수 계수이고,
Figure 112020040830360-pat00014
는 공간적으로 분포한 광 흡수체(20)를 나타내는 함수로서, 이하의 시뮬레이션에서는 광 흡수체(20)를 반지름이 2mm인 구형으로 가정하였다. 수학식 2에 나타낸 바와 같이, 광 흡수 분포는 광 확산 매체(10)에 조사되는 입사빔이 광 확산 매체(10)에 의해 산란되기 때문에, 광 확산 매체(10)의 깊이 z에 따라 지수함수적으로 감소한다고 가정하였다.
수학식 1에서 입사빔의 세기
Figure 112020040830360-pat00015
임을 고려하면, 수학식 1은 다음의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다. 여기서,
Figure 112020040830360-pat00016
는 입사빔의 세기 I(t)를 주파수 영역에서 푸리에 변환한 입사빔 스펙트럼이고, ν는 주파수를, t는 시간을 각각 나타낸다.
[수학식 3]
Figure 112020040830360-pat00017
광음향 측정기(200)의 전달 함수를
Figure 112020040830360-pat00018
라 하고, 수학식 3의 광음향 신호 g(t)를 주파수 영역에서 나타내면, 다음의 수학식 4와 같은 광음향 신호의 스펙트럼(즉, 광음향 스펙트럼)
Figure 112020040830360-pat00019
를 획득할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112020040830360-pat00020
수학식 4에 나타낸 바와 같이, 광음향 측정기(200)에 의해 측정되는 광음향 신호의 스펙트럼에는 광음향 측정기(200)의 전달 함수
Figure 112020040830360-pat00021
가 곱해져야 한다.
그리고 수학식 4에서
Figure 112020040830360-pat00022
는 다음의 수학식 5와 같이 정의하였다.
[수학식 5]
Figure 112020040830360-pat00023
수학식 5는 광 흡수체(20)의 한 점
Figure 112020040830360-pat00024
에서 발생하는 광음향 신호가 표면 분포 함수
Figure 112020040830360-pat00025
를 갖는 광음향 측정기(200)에 의해 측정되는 값을 나타낸다. 수학식 5에서 k는 초음파의 파수이다(즉,
Figure 112020040830360-pat00026
).
통상적인 광음향 측정에서는 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호에 대해 주파수 영역에서 정합 필터링 처리가 이루어지며, 이러한 정합 필터링 처리는 처리장치(300)에 의해 이루어질 수 있다. 처리장치(300)에 의해 이루어지는 정합 필터링 처리는, 구체적으로 수학식 4로 측정되는 광음향 스펙트럼
Figure 112020040830360-pat00027
에, 정합 필터링 함수
Figure 112020040830360-pat00028
를 곱함으로써 이루어질 수 있다. 처리장치(300)에 의해 정합 필터링 처리가 이루어진 최종적인 광음향 스펙트럼은 다음의 수학식 6과 같다.
[수학식 6]
Figure 112020040830360-pat00029
참고로, 기존의 주파수 영역 광음향 측정에서는 정합 필터링을 위해 정합 필터링 함수
Figure 112020040830360-pat00030
를 적용해왔으며, 여기서
Figure 112020040830360-pat00031
은 입사빔의 세기 I(t)를 주파수 영역에서 푸리에 변환한
Figure 112020040830360-pat00032
(즉, 입사빔 스펙트럼)의 컨쥬게이트값이다.
수학식 6에서 대괄호 부분인
Figure 112020040830360-pat00033
은 광음향 측정기(200)의 모양 및 광 흡수체(20)의 모양에 따라 결정되는 공간적 광음향 스펙트럼을 의미하며, 이하에서는 이를
Figure 112020040830360-pat00034
로 정의하기로 한다. 상기
Figure 112020040830360-pat00035
는 처리장치(300) 내에 미리 저장되어 있을 수 있다.
정합 필터링된 잡음이 없는 이상적인 광음향 스펙트럼을
Figure 112020040830360-pat00036
라 할 때,
Figure 112020040830360-pat00037
는 다음의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112020040830360-pat00038
한편, 광음향 측정 시에는 광음향 열 잡음과 같은 광음향 잡음이 항상 존재하기 마련이다. 정합 필터링된 광음향 잡음 스펙트럼을
Figure 112020040830360-pat00039
라 할 때,
Figure 112020040830360-pat00040
는 다음의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112020040830360-pat00041
수학식 8에서
Figure 112020040830360-pat00042
는 광음향 잡음 스펙트럼이며,
Figure 112020040830360-pat00043
는 정합 필터링 함수이다. 이하의 시뮬레이션에서는 수학식 8의 광음향 잡음 스펙트럼
Figure 112020040830360-pat00044
로 정하였고(즉, 전체 주파수에서 백색 가우시안 잡음으로 정함), 그 값을 0.001로 하였다.
광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비(SNR)는 상기 수학식 7 및 8를 이용하여 다음의 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112020040830360-pat00045
수학식 9에서 분자는 주파수 영역에서 이상적인 광음향 신호의 최대값을 의미하고, 분모는 주파수 영역에서 광음향 잡음의 시간 평균을 나타낸다(즉, 광음향 잡음값의 분산).
한편, 수학식 7에서 광음향 측정기(200)의 전달 함수
Figure 112020040830360-pat00046
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 전달 함수
Figure 112020040830360-pat00047
가 도 2에 나타나 있다. 도 2에서 real[
Figure 112020040830360-pat00048
]은 전달 함수의 실수부, imag[
Figure 112020040830360-pat00049
]는 전달 함수의 허수부이며, abs[
Figure 112020040830360-pat00050
]은 전달 함수의 절대값(크기)이다.
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 112020040830360-pat00051
가 도 3에 나타나 있다. 실제
Figure 112020040830360-pat00052
는 광음향 측정기(200)의 초점 거리 때문에 빠르게 진동하는 함수이므로, 도 3에서는
Figure 112020040830360-pat00053
의 크기만을 나타내었다.
한편, 광원(100)에서 방출되어 광 확산 매체(10)에 조사되는 입사빔은 다음의 수학식 10과 같은 처프 신호일 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112020040830360-pat00054
수학식 10에서
Figure 112020040830360-pat00055
는 처프 신호의 세기, FFD는 처프 신호의 광 방사 노광량(radiant exposure), νc는 처프 신호의 중심 주파수, b는 처프 신호의 선형 주파수 증가율, 그리고
Figure 112020040830360-pat00056
는 선폭(duration)이 T인 구형 함수를 나타낸다.
도 4a 및 도 4b는 수학식 10에 따른 처프 신호를 개략적으로 나타낸 그래프로서, 보다 구체적으로는 중심 주파수 νc가 3MHz이고, 대역폭 bT가 4MHz인 처프 신호 Ichirp(t)를 개략적으로 나타낸 그래프이다. 도 4a에서 x축은 시간을, y축은 주파수를 나타내고, 기울기는 처프 신호의 선형 주파수 증가율 b를 나타낸다. 그리고 도 4b에서 x축은 시간을, y축은 처프 신호의 세기를 나타낸다. 또한, 도 4a 및 도 4b에서 T는 처프 신호의 선폭을 나타낸다. 이들 도 4a 및 도 4b는 선폭 T 동안 주파수가 점차 증가하고 포락선이 일정한 처프 신호를 개략적으로 도시한 것이다.
한편, 광원(100)에서 방출되어 광 확산 매체(10)에 조사되는 입사빔은 다음의 수학식 11과 같은 주기 신호일 수 있다.
[수학식 11]
Figure 112020040830360-pat00057
본 발명에서 주기 신호는 고정된 주기를 가지고, 시간에 따라 세기가 연속적으로 변하는 신호를 의미하며, 상기 주기 신호로는 정현파 신호, 구형파 신호, 톱니파 신호 등이 이에 해당될 수 있다. 수학식 11은 주기 신호 중에서도 정현파 신호를 나타낸 것으로서, Ii(t)는 정현파 신호의 세기, FFD는 정현파 신호의 광 방사 노광량, νi는 정현파 신호의 주파수, 그리고
Figure 112020040830360-pat00058
는 선폭이 T인 구형 함수를 나타낸다.
도 5a 및 도 5b는 수학식 11에 따른 정현파 신호를 개략적으로 나타낸 그래프로서, 보다 구체적으로는 주파수 νc가 1MHz인 정현파 신호
Figure 112020040830360-pat00059
를 나타낸 그래프이다. 도 5a에서 x축은 시간을, y축은 주파수를 나타내고, 도 5b에서 x축은 시간을, y축은 정현파 신호의 세기를 나타낸다. 그리고 도 5a 및 도 5b에서 T는 정현파 신호의 선폭을 나타낸다.
나아가, 도 6은 주파수가 1MHz인 정현파 신호(도 6의 'cos'), 구형파 신호(도 6의 'rect') 및 톱니파 신호(도 6의 'sawtooth')를 나타낸 그래프이다. 이하에서는 도 6에 나타낸 바와 같은 주기 신호(예를 들어, 정현파 신호, 구형파 신호 및 톱니파 신호)를 이용하여, 광음향 측정기로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법에 대해 제안한다.
한편, 수학식 10 및 11에서 광 방사 노광량은 단위 면적당 허용되는 입사빔의 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 12와 같다.
[수학식 12]
Figure 112020040830360-pat00060
수학식 12에서 최대 허용 노광량 FFD의 단위는 [J/m2]이다. CA는 파장에 따라 달라지는 상수인데, 이하의 시뮬레이션에서는 가시광선 파장대인 400~700nm를 가정하여 1로 근사화하였다. 그리고 T는 입사빔(예를 들어, 주기 신호 또는 처프 신호)의 선폭을 나타낸다.
먼저, 수학식 10의 처프 신호가 광 확산 매체(10)의 내부에 위치하는 광 흡수체(20)에 흡수될 경우, 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 계산하였다. 수학식 10 및 12의 처프 신호에서 중심 주파수 νc=3MHz, 대역폭 bT=4MHz(즉, 1~5MHz로 처프 신호의 주파수가 선형적으로 증가)로 하여 계산한 신호 대 잡음비(SNRchirp)가 도 7에 나타나 있다.
구체적으로, 도 7은 광원(100)을 통해 방출되는 처프 신호의 선폭 T가 0.25~1.5msec일 때, 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비(SNRchirp;1~5MHz)와, 상기 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 평균한 결과(Ave SNRchirp)를 나타낸 도면이다. 도 7의 결과는 0.25~1.5msec 중 어느 하나의 선폭에서, 주파수가 1MHz에서 5MHz로 선형적으로 증가하는 단일 개의 처프 신호를 처리장치(300)가 광원(100)을 통해 방출되도록 한 뒤, 광음향 측정기(200)가 측정한 광음향 신호를 상기 수학식 7 및 8을 이용하여 계산하고, 상기 수학식 7 및 8의 계산 결과를 수학식 9에 대입하여 상기 광음향 신호의 신호 대 잡음비(SNRchirp)를 계산한 것이다. 여기서, 처리장치(300)에 의해 이루어지는 상기 수학식 7 및 8의 계산은, 수학식 10에 따른 처프 신호의 세기 Ichirp(t)를 푸리에 변환하여 입사빔 스펙트럼
Figure 112020040830360-pat00061
를 계산한 뒤, 수학식 7 및 8에 나타나 있는 정합 필터링 함수
Figure 112020040830360-pat00062
로 하여 이루어진 것이다.
참고로, 처프 신호의 경우에는 주어진 선폭 T 안에서 처프 신호의 주파수가 연속적으로 변해야 한다. 다만, 광원(100)에서 방출되는 처프 신호의 샘플링 속도(sampling rate)는 한정적이기 때문에, 예를 들어 0.25msec의 선폭에서 1MHz에서 5MHz까지 변하는 처프 신호를 방출하는 광원(100)을 실제로 구현하기는 매우 어렵다. 이에 따라, 실제 주파수 영역 광음향 측정에서는 처프 신호의 선폭을 통상적으로 1msec 이상으로 한다.
도 8a는 선폭 T=250μsec일 때 주파수가 1MHz에서 5MHz까지 변하는 처프 신호가 광 흡수체(20)에 흡수될 경우, 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호를 처리장치(300)가
Figure 112020040830360-pat00063
로 정합 필터링을 하였을 때 잡음이 포함되지 않은 이상적인 광음향 신호를 나타낸 도면이다. 그리고 도 8b는 선폭 T=250μsec일 때 주파수가 1MHz에서 5MHz까지 변하는 처프 신호가 광 흡수체(20)에 흡수될 경우, 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호를 처리장치(300)가
Figure 112020040830360-pat00064
로 정합 필터링을 하였을 때 잡음이 포함된 광음향 신호를 나타낸 도면이다.
도 8a 및 도 8b에 의하면, 20mm의 초점 거리를 갖는 광음향 측정기(200)로 광음향 신호를 측정했기 때문에, 광음향 신호의 피크 값이 13.33μsec(= 20mm / 1500m/s)일 때 나타난다는 것을 확인할 수 있다.
앞에서는 단일 개의 처프 신호를 광 흡수체(20)에 흡수시켜 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 계산하였지만, 이번에는 수학식 11에 나타낸 정현파 신호 다수 개를 광 확산 매체(10)의 내부에 위치하는 광 흡수체(20)에 흡수시킨 뒤 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 계산하였다.
상기 계산 과정에서는, 먼저 처리장치(300)가 광원(100)을 통해 방출될 정현파 신호의 특정 주파수 구간을 예를 들어 1~5MHz로 설정할 수 있다. 이후 처리장치(300)는 상기 특정 주파수 구간 내에서 N개(여기서, N은 2이상의 자연수)의 주파수를 선택해서, 그 선택된 다수 개의 주파수를 갖는 정현파 신호 각각을 광원(100)을 통해 방출되도록 할 수 있다. 즉, 처리장치(300)는 광원(100)을 통해 방출될 정현파 신호의 주파수를 상이하게 다수 개 선택할 수 있다.
광원(100)은 처리장치(300)에 의해 선택된 다수 개의 주파수를 갖는 정현파 신호 각각을 광 확산 매체(10)로 방출하여, 광 확산 매체(10)의 내부에 위치하는 광 흡수체(20)에 흡수시킬 수 있다. 이에 따라, 광 흡수체(20)에서는 정현파 형태의 광음향 신호가 발생하게 되며, 광음향 측정기(200)는 상기 다수 개의 주파수를 갖는 정현파 신호 각각이 광 흡수체(20)에 흡수됨에 따라 발생하는 다수 개의 광음향 신호를 측정할 수 있다. 이후 처리장치(300)는 광음향 측정기(200)에 의해 측정된 다수 개의 광음향 신호를 주파수 영역에서 정합 필터링 처리함으로써, 광 흡수체(20)에서 발생하는 광음향 신호의 최종값을 획득할 수 있다.
광음향 측정기(200)에 의해 측정되는 다수 개의 정현파 광음향 신호에 대해 처리장치(300)가 정합 필터링 처리를 하는 방법으로는 결맞음(coherent) 합산 방법과 비결맞음(incoherent) 합산 방법이 있다.
우선, 결맞음 합산 방법은 다음의 수학식 13 및 14와 같이, 처리장치(300)가 광음향 측정기(200)에 의해 측정되는 다수 개의 광음향 신호(여기서, 각각의 광음향 신호에는 광 흡수체(20)로부터 발생한 잡음이 없는 이상적인 광음향 신호과, 광음향 잡음값이 혼합되어 있음)를 주파수 영역에서 합산하여 광음향 신호 합산값을 산출하고, 이후 상기 광음향 신호 합산값을 상기 광원(100)을 통해 방출되는 다수 개의 주파수를 갖는 정현파 신호를 이용해서 정합 필터링 처리하는 방법이다. 여기서, 상기 정합 필터링 처리는, 아래에서 설명하는 바와 같이, 처리장치(300)가 주파수 영역에서 상기 광원(100)을 통해 방출되는 다수 개의 주파수를 갖는 정현파 신호 각각의 컨쥬게이트값을 합산한 정현파 신호의 컨쥬게이트 합산값에 의해 이루어질 수 있다.
다음의 수학식 13은 처리장치(300)가 주파수 영역에서, 광음향 측정기(200)에 의해 측정되는 광음향 신호 중 잡음이 없는 이상적인 광음향 신호에 대해 결맞음 합산 방법으로 정합 필터링 처리하는 방법에 관한 것이다.
[수학식 13]
Figure 112020040830360-pat00065
수학식 13에서
Figure 112020040830360-pat00066
는 잡음이 없는 이상적인 광음향 신호에 대해 정합 필터링 처리된 값이고,
Figure 112020040830360-pat00067
는 주파수 영역에서 다수 개의 이상적인 광음향 신호를 합산한 이상적인 광음향 신호 합산값이며,
Figure 112020040830360-pat00068
는 정합 필터링 함수의 합산값이다.
상술한 바와 같이, 주파수 영역 광음향 측정에서는 정합 필터링을 위해 정합 필터링 함수
Figure 112020040830360-pat00069
로 하는 것이 바람직하며, 이에 따라 수학식 13에서 정합 필터링 함수
Figure 112020040830360-pat00070
는
Figure 112020040830360-pat00071
로 하는 것이 바람직하다. 여기서
Figure 112020040830360-pat00072
는 입사빔의 세기 I(t)를 주파수 영역에서 푸리에 변환한
Figure 112020040830360-pat00073
(즉, 입사빔 스펙트럼)의 컨쥬게이트값이다. 즉, 처리장치(300)는 주파수 영역에서 다수 개의 주파수를 갖는 정현파 신호 각각의 컨쥬게이트값을 합산한 정현파 신호 컨쥬게이트 합산값
Figure 112020040830360-pat00074
에 의해, 다수 개의 이상적인 광음향 신호 합산값
Figure 112020040830360-pat00075
의 정합 필터링 처리를 할 수 있다.
그리고 다음의 수학식 14는 처리장치(300)가 주파수 영역에서, 광음향 측정기(200)에 의해 측정되는 광음향 신호 중 광음향 잡음값에 대해 결맞음 합산 방법으로 정합 필터링 처리하는 방법에 관한 것이다.
[수학식 14]
Figure 112020040830360-pat00076
수학식 14에서
Figure 112020040830360-pat00077
는 광음향 잡음값에 대해 정합 필터링 처리된 값이고,
Figure 112020040830360-pat00078
는 주파수 영역에서 다수 개의 정현파 광음향 잡음값을 합산한 광음향 잡음 합산값이며,
Figure 112020040830360-pat00079
는 정합 필터링 함수의 합산값이다.
수학식 14에서도 정합 필터링 함수
Figure 112020040830360-pat00080
일 수 있으며, 이에 따라 정합 필터링 함수의 합산값
Figure 112020040830360-pat00081
는
Figure 112020040830360-pat00082
일 수 있다. 여기서
Figure 112020040830360-pat00083
는 입사빔의 세기 I(t)를 주파수 영역에서 푸리에 변환한
Figure 112020040830360-pat00084
(즉, 입사빔 스펙트럼)의 컨쥬게이트값이다. 즉, 처리장치(300)는 주파수 영역에서 다수 개의 주파수를 갖는 정현파 신호 각각의 컨쥬게이트값의 합산값
Figure 112020040830360-pat00085
에 의해, 광음향 잡음 합산값
Figure 112020040830360-pat00086
의 정합 필터링 처리를 할 수 있다.
다음으로, 비결맞음 합산 방법은 다음의 수학식 15 및 16과 같이, 처리장치(300)가 주파수 영역에서 다수 개의 광음향 신호 각각을, 상기 각각의 광음향 신호를 발생시키는데 기인한 정현파 신호를 이용해서 정합 필터링 처리를 하여 유닛 광음향 스펙트럼 다수 개를 산출하고, 상기 산출한 유닛 광음향 스펙트럼 다수 개를 합산하는 방법이다. 여기서, 상기 각각의 광음향 신호의 정합 필터링 처리는, 상기 각각의 광음향 신호를 발생시키는데 기인한 정현파 신호의 컨쥬게이트값에 의해 이루어질 수 있다.
다음의 수학식 15는 처리장치(300)가 주파수 영역에서, 광음향 측정기(200)에 의해 측정되는 광음향 신호 중 잡음이 없는 이상적인 광음향 신호에 대해 비결맞음 합산 방법으로 정합 필터링 처리하는 방법에 관한 것이다.
[수학식 15]
Figure 112020040830360-pat00087
수학식 15에서
Figure 112020040830360-pat00088
는 잡음이 없는 이상적인 광음향 신호에 대해 정합 필터링 처리된 값이고,
Figure 112020040830360-pat00089
는 각각의 주파수를 갖는 정현파 신호로 인해 광음향 측정기(200)로 측정되는 이상적인 광음향 신호이며,
Figure 112020040830360-pat00090
는 상기 이상적인 광음향 신호를 정합 필터링하기 위한 정합 필터링 함수이다.
그리고 수학식 15에서
Figure 112020040830360-pat00091
는 광음향 측정기(200)로 측정되는 이상적인 광음향 신호를 정합 필터링 함수
Figure 112020040830360-pat00092
로 정합 필터링 처리를 한 유닛 광음향 스펙트럼이고,
Figure 112020040830360-pat00093
는 상기 유닛 광음향 스펙트럼 다수 개(즉, N개)를 합산한 값이다.
상술한 바와 같이, 주파수 영역 광음향 측정에서는 정합 필터링을 위해 정합 필터링 함수
Figure 112020040830360-pat00094
로 하는 것이 바람직하며, 여기서
Figure 112020040830360-pat00095
는 입사빔의 세기 I(t)를 주파수 영역에서 푸리에 변환한
Figure 112020040830360-pat00096
(즉, 입사빔 스펙트럼)의 컨쥬게이트값이다.
즉, 처리장치(300)는 주파수 영역에서, 각각의 이상적인 광음향 신호를 발생시키는데 기인한 정현파 신호의 컨쥬게이트값에 의해 각각의 이상적인 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 하여 이상적인 유닛 광음향 스펙트럼
Figure 112020040830360-pat00097
다수 개를 산출할 수 있으며, 이후 상기 이상적인 유닛 광음향 스펙트럼
Figure 112020040830360-pat00098
다수 개를 합산하여 최종적인 광음향 신호를 획득할 수 있다.
다음의 수학식 16은 처리장치(300)가 주파수 영역에서, 광음향 측정기(200)에 의해 측정되는 광음향 신호 중 광음향 잡음값에 대해 비결맞음 합산 방법으로 정합 필터링 처리를 하는 방법에 관한 것이다.
[수학식 16]
Figure 112020040830360-pat00099
수학식 16에서
Figure 112020040830360-pat00100
는 광음향 잡음값에 대해 정합 필터링 처리된 값이고,
Figure 112020040830360-pat00101
는 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 잡음값이며,
Figure 112020040830360-pat00102
는 정합 필터링 함수이다.
수학식 16에서도 정합 필터링 함수
Figure 112020040830360-pat00103
일 수 있으며, 여기서
Figure 112020040830360-pat00104
는 입사빔의 세기 I(t)를 주파수 영역에서 푸리에 변환한
Figure 112020040830360-pat00105
(즉, 입사빔 스펙트럼)의 컨쥬게이트값이다.
즉, 처리장치(300)는 주파수 영역에서 각각의 광음향 잡음값을 발생시키는데 기인한 정현파 신호의 컨쥬게이트값에 의해, 각각의 광음향 잡음값에 정합 필터링 처리를 하여 유닛 광음향 잡음 스펙트럼
Figure 112020040830360-pat00106
다수 개를 산출할 수 있으며, 이후 상기 유닛 광음향 잡음 스펙트럼
Figure 112020040830360-pat00107
다수 개를 합산하여 광음향 잡음값을 획득할 수 있다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 주파수 영역 광음향 측정에서 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법의 흐름도이다.
처리장치(300)는 광원(100)을 통해 방출될 정현파 신호의 주파수 구간을, 앞서 도 7에 나타낸 처프 신호의 주파수 구간과 마찬가지로 1~5MHz로 설정할 수 있다. 이후 처리장치(300)는 상기 1~5MHz의 주파수 구간 내에서 광원(100)을 통해 방출될 N(여기서, N은 2이상의 자연수임)개의 주파수를 상이하게 선택할 수 있다(S110). 이 경우 광원(100)에서는 상기 처리장치(300)에 의해 선택된 다수 개의 주파수를 갖는 정현파 신호 각각을 광 확산 매체(10)로 순차적으로 방출하여, 상기 광 확산 매체(10)의 내부에 위치하는 광 흡수체(20)에 흡수시킬 수 있다(S120). 예를 들어, 처리장치(300)는 N=51개(주파수 간 간격 Δν=0.08MHz) 또는 N=71개(Δν=0.057MHz)의 주파수를 선택해서, 각 주파수에 해당하는 정현파 신호 다수 개가 광원(100)을 통해 순차적으로 방출되도록 할 수 있다.
광원(100)이 상기 처리장치(300)에 의해 선택된 다수 개의 주파수를 갖는 정현파 신호 각각을 광 확산 매체(10)로 방출할 경우, 상기 광 확산 매체(10)의 내부에 위치하는 광 흡수체(20)에서는 정현파 형태의 광음향 신호가 발생하게 된다. 이때 광음향 측정기(200)는 상기 다수 개의 주파수를 갖는 정현파 신호 각각이 상기 광 흡수체(20)에 흡수됨에 따라 발생하는 다수 개의 광음향 신호를 측정한다(S130). 이후 처리장치(300)는 상기 광음향 측정기(200)에 의해 측정된 다수 개의 광음향 신호를 주파수 영역에서 처리함으로써(S140), 주파수 영역 광음향 측정에서 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 처리장치(300)는 상기 수학식 13 및 14를 통해 설명한 바와 같이(즉, 결맞음 합산 방법), 주파수 영역에서 다수 개의 광음향 신호를 합산하여 광음향 신호 합산값을 산출하고(S141), 이후 상기 광음향 신호 합산값을, 상기 다수 개의 주파수를 갖는 정현파 신호를 이용해서 정합 필터링 처리할 수 있다(S142). 여기서, 처리장치(300)는 주파수 영역에서 상기 다수 개의 주파수를 갖는 정현파 신호 각각의 컨쥬게이트값을 합산한 정현파 신호의 컨쥬게이트 합산값에 의해, 상기 광음향 신호 합산값의 정합 필터링 처리를 할 수 있다.
또는, 처리장치(300)는 상기 수학식 15 및 16을 통해 설명한 바와 같이(즉, 비결맞음 합산 방법), 주파수 영역에서 다수 개의 광음향 신호 각각을, 상기 각각의 광음향 신호를 발생시키는데 기인한 정현파 신호를 이용해서 정합 필터링 처리를 하여 유닛 광음향 스펙트럼 다수 개를 산출할 수 있다(S143). 여기서, 처리장치(300)는 주파수 영역에서 상기 각각의 광음향 신호를 발생시키는데 기인한 정현파 신호의 컨쥬게이트값에 의해 상기 각각의 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 하여, 상기 유닛 광음향 스펙트럼 다수 개를 산출할 수 있다. 이후, 처리장치(300)는 상기 유닛 광음향 스펙트럼 다수 개를 합산할 수 있다(S144).
도 10은 다수 개의 상이한 주파수를 갖는 정현파 신호를 광 흡수체에 흡수시킨 뒤, 결맞음 합산 방법으로 획득한 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다. 구체적으로, 도 10은 처리장치(300)가 1~5MHz의 주파수 구간 내에서 N=51개(주파수 간 간격 Δν=0.08MHz)의 주파수(51 cos fcns) 또는 N=71개(Δν=0.057MHz)의 주파수(71 cos fcns)를 선택해서, 각 주파수에 해당하는 정현파 신호 다수 개가 광원(100)을 통해 순차적으로 방출되도록 한 뒤, 광음향 측정기(200)가 측정한 다수 개의 광음향 신호를 상기 수학식 13 및 14로 계산하고, 상기 수학식 13 및 14의 계산 결과를 수학식 9에 대입하여 상기 광음향 신호의 신호 대 잡음비(SNRcoherent)를 계산한 것이다.
그리고 도 11은 다수 개의 상이한 주파수를 갖는 정현파 신호를 광 흡수체에 흡수시킨 뒤, 비결맞음 합산 방법으로 획득한 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다. 구체적으로, 도 11은 처리장치(300)가 1~5MHz의 주파수 구간 내에서 N=51개(주파수 간 간격 Δν=0.08MHz)의 주파수(51 cos fcns) 또는 N=71개(Δν=0.057MHz)의 주파수(71 cos fcns)를 선택해서, 각 주파수에 해당하는 정현파 신호 다수 개가 광원(100)을 통해 순차적으로 방출되도록 한 뒤, 광음향 측정기(200)가 측정한 다수 개의 광음향 신호를 상기 수학식 15 및 16으로 계산하고, 상기 수학식 15 및 16의 계산 결과를 수학식 9에 대입하여 상기 광음향 신호의 신호 대 잡음비(SNRincoherent)를 계산한 것이다.
정현파 신호는 처프 신호와 달리 시간에 따라 주파수의 변동이 없으므로, 정현파 신호의 선폭을 처프 신호의 선폭에 비해 매우 짧게 설정할 수 있다. 이에 따라, 도 10 및 도 11의 경우에는 정현파 신호의 선폭 T를 0.02~0.5msec로 정하였다.
도 10에서 알 수 있듯이, 다수 개(예를 들어, 51개 또는 71개)의 상이한 주파수를 갖는 정현파 신호를 광 흡수체(20)에 흡수시킨 뒤 결맞음 합산 방법으로 획득한 광음향 신호의 신호 대 잡음비(SNRcoherent)는, 도 7에 나타낸 단일 개의 처프 신호를 광 흡수체(20)에 흡수시킨 뒤 획득한 광음향 신호의 신호 대 잡음비(SNRchirp)에 비해 크다는 것을 알 수 있다.
또한, 도 11에서 알 수 있듯이, 다수 개(예를 들어, 51개 또는 71개)의 상이한 주파수를 갖는 정현파 신호를 광 흡수체(20)에 흡수시킨 뒤 비결맞음 합산 방법으로 계산한 광음향 신호의 신호 대 잡음비(SNRincoherent)는, 도 7에 나타낸 단일 개의 처프 신호를 광 흡수체(20)에 흡수시킨 뒤 계산한 광음향 신호의 신호 대 잡음비(SNRchirp), 그리고 도 9에 나타낸 광음향 신호의 신호 대 잡음비(SNRcoherent)에 비해 매우 크다는 것을 알 수 있다.
한편, 선폭 T=20μsec이고, 1~5MHz의 주파수 구간 내에서 총 71개(Δν=0.057MHz)의 상이한 주파수를 갖는 정현파 신호를 광 흡수체(20)에 흡수시킨 뒤 결맞음 합산 방법으로 계산된, 잡음이 없는 이상적인 광음향 신호(PAcoherent signal)와 잡음이 포함된 광음향 신호(Noisy PAcoherent signal)를 도 12a와 도 12b에 각각 나타냈다. 도 12a에서 13.33μsec의 위치에 있는 값은 이상적인 광음향 신호의 피크 값이고, 그 우측에서 상기 이상적인 광음향 신호의 피크 값보다 작은 피크를 갖는 값은 각각의 광음향 신호와 정합 필터링 함수 간의 연관(correlation) 과정에서 발생한 것이다. 도 12a 및 도 12b에 의하면, 20mm의 초점 거리를 갖는 광음향 측정기(200)로 광음향 신호를 측정했기 때문에, 광음향 신호의 피크 값이 13.33μsec(= 20mm / 1500m/s)일 때 나타난다는 것을 확인할 수 있다.
또한, 선폭 T=20μsec이고, 1~5MHz의 주파수 구간 내에서 총 71개(Δν=0.057MHz)의 상이한 주파수를 갖는 정현파 신호를 광 흡수체(20)에 흡수시킨 뒤 비결맞음 합산 방법으로 계산된, 잡음이 없는 이상적인 광음향 신호(PAincoherent signal)와 잡음이 포함된 광음향 신호(Noisy PAincoherent signal)를 도 13a와 도 13b에 각각 나타냈다. 도 13a에서 13.33μsec의 위치에 있는 값은 이상적인 광음향 신호의 피크 값이고, 그 우측에서 상기 이상적인 광음향 신호의 피크 값보다 작은 피크를 갖는 값은 각각의 광음향 신호와 정합 필터링 함수 간의 연관 과정에서 발생한 것이다. 도 13a 및 도 13b에 의하면, 20mm의 초점 거리를 갖는 광음향 측정기(200)로 광음향 신호를 측정했기 때문에, 광음향 신호의 피크 값이 13.33μsec(= 20mm / 1500m/s)일 때 나타난다는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 다수 개의 정현파 신호를 광 흡수체(20)에 흡수시킬 수도 있지만, 다수 개의 정현파 신호 대신 다수 개의 구형파 신호나 다수 개의 톱니파 신호와 같이 다른 형태의 주기 신호를 광 흡수체(20)에 흡수시킨 뒤, 처리장치가 광음향 측정기에 의해 측정되는 다수 개의 광음향 신호를 주파수 영역에서 처리함으로써, 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수도 있다.
구체적으로, 처리장치(300)는 광원(100)을 통해 방출될 구형파 신호(또는, 톱니파 신호)의 주파수 구간을, 앞서 도 7에 나타낸 처프 신호의 주파수 구간과 마찬가지로 1~5MHz로 설정할 수 있다. 이후 처리장치(300)는 상기 1~5MHz의 주파수 구간 내에서 광원(100)을 통해 방출될 N(여기서, N은 2이상의 자연수임)개의 주파수를 상이하게 선택할 수 있다. 이 경우 광원(100)에서는 상기 처리장치(300)에 의해 선택된 다수 개의 주파수를 갖는 구형파 신호(또는, 톱니파 신호) 각각을 광 확산 매체(10)로 순차적으로 방출하여, 상기 광 확산 매체(10)의 내부에 위치하는 광 흡수체(20)에 흡수시킬 수 있다. 예를 들어, 처리장치(300)는 N=51개(주파수 간 간격 Δν=0.08MHz) 또는 N=71개(Δν=0.057MHz)의 주파수를 선택해서, 각 주파수에 해당하는 구형파 신호(또는, 톱니파 신호) 다수 개가 광원(100)을 통해 순차적으로 방출되도록 할 수 있다.
광원(100)이 상기 처리장치(300)에 의해 선택된 다수 개의 주파수를 갖는 구형파 신호(또는, 톱니파 신호) 각각을 광 확산 매체(10)로 방출할 경우, 상기 광 확산 매체(10)의 내부에 위치하는 광 흡수체(20)에서는 구형파 형태(또는, 톱니파 형태)의 광음향 신호가 발생하게 된다. 이때 광음향 측정기(200)는 상기 다수 개의 주파수를 갖는 구형파 신호(또는, 톱니파 신호) 각각이 상기 광 흡수체(20)에 흡수됨에 따라 발생하는 다수 개의 광음향 신호를 측정한다. 이후 처리장치(300)는 상기 광음향 측정기(200)에 의해 측정된 다수 개의 광음향 신호를 주파수 영역에서 처리함으로써, 주파수 영역 광음향 측정에서 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 처리장치(300)는 상기 수학식 13 및 14를 통해 설명한 바와 동일한 방식으로(즉, 결맞음 합산 방법), 주파수 영역에서 다수 개의 광음향 신호를 합산하여 광음향 신호 합산값을 산출하고, 이후 상기 광음향 신호 합산값을, 상기 다수 개의 주파수를 갖는 구형파 신호(또는, 톱니파 신호)를 이용해서 정합 필터링 처리할 수 있다. 여기서, 처리장치(300)는 주파수 영역에서 상기 다수 개의 주파수를 갖는 구형파 신호(또는, 톱니파 신호) 각각의 컨쥬게이트값을 합산한 구형파 신호(또는, 톱니파 신호)의 컨쥬게이트 합산값에 의해, 상기 광음향 신호 합산값의 정합 필터링 처리를 할 수 있다.
또는, 처리장치(300)는 상기 수학식 15 및 16을 통해 설명한 바와 동일한 방식으로(즉, 비결맞음 합산 방법), 주파수 영역에서 다수 개의 광음향 신호 각각을, 상기 각각의 광음향 신호를 발생시키는데 기인한 구형파 신호(또는, 톱니파 신호)를 이용해서 정합 필터링 처리를 하여 유닛 광음향 스펙트럼 다수 개를 산출할 수 있다. 여기서, 처리장치(300)는 주파수 영역에서 상기 각각의 광음향 신호를 발생시키는데 기인한 구형파 신호(또는, 톱니파 신호)의 컨쥬게이트값에 의해 상기 각각의 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 하여, 상기 유닛 광음향 스펙트럼 다수 개를 산출할 수 있다. 이후, 처리장치(300)는 상기 유닛 광음향 스펙트럼 다수 개를 합산할 수 있다.
도 14는 다수 개의 상이한 주파수를 갖는 구형파 신호를 광 흡수체에 흡수시킨 뒤, 결맞음 합산 방법으로 획득한 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다. 구체적으로, 도 14는 처리장치(300)가 1~5MHz의 주파수 구간 내에서 N=51개(주파수 간 간격 Δν=0.08MHz)의 주파수(51 rect fcns) 또는 N=71개(Δν=0.057MHz)의 주파수(71 rect fcns)를 선택해서, 각 주파수에 해당하는 구형파 신호 다수 개가 광원(100)을 통해 순차적으로 방출되도록 한 뒤, 광음향 측정기(200)가 측정한 다수 개의 광음향 신호를 상기 수학식 13 및 14로 계산하고, 상기 수학식 13 및 14의 계산 결과를 수학식 9에 대입하여 상기 광음향 신호의 신호 대 잡음비(SNRcoherent)를 계산한 것이다.
그리고 도 15는 다수 개의 상이한 주파수를 갖는 구형파 신호를 광 흡수체에 흡수시킨 뒤, 비결맞음 합산 방법으로 획득한 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다. 구체적으로, 도 15는 처리장치(300)가 1~5MHz의 주파수 구간 내에서 N=51개(주파수 간 간격 Δν=0.08MHz)의 주파수(51 rect fcns) 또는 N=71개(Δν=0.057MHz)의 주파수(71 rect fcns)를 선택해서, 각 주파수에 해당하는 구형파 신호 다수 개가 광원(100)을 통해 순차적으로 방출되도록 한 뒤, 광음향 측정기(200)가 측정한 다수 개의 광음향 신호를 상기 수학식 15 및 16으로 계산하고, 상기 수학식 15 및 16의 계산 결과를 수학식 9에 대입하여 상기 광음향 신호의 신호 대 잡음비(SNRincoherent)를 계산한 것이다.
구형파 신호는 처프 신호와 달리 시간에 따라 주파수의 변동이 없으므로, 구형파 신호의 선폭을 처프 신호의 선폭에 비해 매우 짧게 설정할 수 있다. 이에 따라, 도 14 및 도 15의 경우에 구형파 신호의 선폭 T를 0.02~0.5msec로 정하였다.
도 14에서 알 수 있듯이, 다수 개(예를 들어, 51개 또는 71개)의 상이한 주파수를 갖는 구형파 신호를 광 흡수체(20)에 흡수시킨 뒤 결맞음 합산 방법으로 획득한 광음향 신호의 신호 대 잡음비(SNRcoherent)는, 도 7에 나타낸 단일 개의 처프 신호를 광 흡수체(20)에 흡수시킨 뒤 획득한 광음향 신호의 신호 대 잡음비(SNRchirp)에 비해 크다는 것을 알 수 있다.
또한, 도 15에서 알 수 있듯이, 다수 개(예를 들어, 51개 또는 71개)의 상이한 주파수를 갖는 구형파 신호를 광 흡수체(20)에 흡수시킨 뒤 비결맞음 합산 방법으로 획득한 광음향 신호의 신호 대 잡음비(SNRincoherent)는, 도 7에 나타낸 단일 개의 처프 신호를 광 흡수체(20)에 흡수시킨 뒤 획득한 광음향 신호의 신호 대 잡음비(SNRchirp), 그리고 도 14에 나타낸 광음향 신호의 신호 대 잡음비(SNRcoherent)에 비해 매우 크다는 것을 알 수 있다.
도 16은 다수 개의 상이한 주파수를 갖는 톱니파 신호를 광 흡수체에 흡수시킨 뒤, 결맞음 합산 방법으로 획득한 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다. 구체적으로, 도 16은 처리장치(300)가 1~5MHz의 주파수 구간 내에서 N=51개(주파수 간 간격 Δν=0.08MHz)의 주파수(51 sawtooth fcns) 또는 N=71개(Δν=0.057MHz)의 주파수(71 sawtooth fcns)를 선택해서, 각 주파수에 해당하는 톱니파 신호 다수 개가 광원(100)을 통해 순차적으로 방출되도록 한 뒤, 광음향 측정기(200)가 측정한 다수 개의 광음향 신호를 상기 수학식 13 및 14로 계산하고, 상기 수학식 13 및 14의 계산 결과를 수학식 9에 대입하여 상기 광음향 신호의 신호 대 잡음비(SNRcoherent)를 계산한 것이다.
그리고 도 17은 다수 개의 상이한 주파수를 갖는 톱니파 신호를 광 흡수체에 흡수시킨 뒤, 비결맞음 합산 방법으로 획득한 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다. 구체적으로, 도 17은 처리장치(300)가 1~5MHz의 주파수 구간 내에서 N=51개(주파수 간 간격 Δν=0.08MHz)의 주파수(51 sawtooth fcns) 또는 N=71개(Δν=0.057MHz)의 주파수(71 sawtooth fcns)를 선택해서, 각 주파수에 해당하는 톱니파 신호 다수 개가 광원(100)을 통해 순차적으로 방출되도록 한 뒤, 광음향 측정기(200)가 측정한 다수 개의 광음향 신호를 상기 수학식 15 및 16으로 계산하고, 상기 수학식 15 및 16의 계산 결과를 수학식 9에 대입하여 상기 광음향 신호의 신호 대 잡음비(SNRincoherent)를 계산한 것이다.
톱니파 신호는 처프 신호와 달리 시간에 따라 주파수의 변동이 없으므로, 톱니파 신호의 선폭을 처프 신호의 선폭에 비해 매우 짧게 설정할 수 있다. 이에 따라, 도 16 및 도 17의 경우에 톱니파 신호의 선폭 T를 0.02~0.5msec로 정하였다.
도 16에서 알 수 있듯이, 다수 개(예를 들어, 51개 또는 71개)의 상이한 주파수를 갖는 톱니파 신호를 광 흡수체(20)에 흡수시킨 뒤 결맞음 합산 방법으로 획득한 광음향 신호의 신호 대 잡음비(SNRcoherent)는, 도 7에 나타낸 단일 개의 처프 신호를 광 흡수체(20)에 흡수시킨 뒤 획득한 광음향 신호의 신호 대 잡음비(SNRchirp)에 비해 크다는 것을 알 수 있다.
또한, 도 17에서 알 수 있듯이, 다수 개(예를 들어, 51개 또는 71개)의 상이한 주파수를 갖는 톱니파 신호를 광 흡수체(20)에 흡수시킨 뒤 비결맞음 합산 방법으로 획득한 광음향 신호의 신호 대 잡음비(SNRincoherent)는, 도 7에 나타낸 단일 개의 처프 신호를 광 흡수체(20)에 흡수시킨 뒤 획득한 광음향 신호의 신호 대 잡음비(SNRchirp), 그리고 도 16에 나타낸 광음향 신호의 신호 대 잡음비(SNRcoherent)에 비해 매우 크다는 것을 알 수 있다.
앞에서는 처리장치(300)가 광원(100)을 통해 방출될 주기 신호(즉, 정현파 신호, 구형파 신호 또는 톱니파 신호)의 주파수 구간을 1~5MHz로 설정하였고, 그 주파수 구간 내에서 N=51개 또는 N=71개의 주파수를 동일한 간격으로 선택하였다. 하지만 처리장치(300)는 광원(100)을 통해 방출될 상기 주기 신호의 주파수 구간을 1~5MHz 이외의 구간으로 설정할 수 있고, 주파수의 개수도 얼마든지 다양하게 선택할 수 있으며, 다수 개의 주파수를 반드시 동일한 간격으로 선택할 필요가 없고, 선택되는 다수 개 주파수의 위상 역시 반드시 동일하게 할 필요도 없다.
즉, 처리장치(300)가 주파수 구간, 주파수의 선택 개수, 다수 개의 주파수 간 간격 또는 다수 개 주파수의 위상을 앞서 설명한 예와 달리하더라도, 주기 신호(예를 들어, 정현파 신호, 구형파 신호 또는 톱니파 신호 등) 다수 개를 광 흡수체(20)에 흡수시킨 뒤, 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호를 처리장치(300)가 결맞음 합산 방법 또는 비결맞음 합산 방법으로 처리할 경우에는, 단일 개의 처프 신호를 광 흡수체(20)에 흡수시키는 경우(도 7 참고)에 비해, 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있음이 확인되었다.
도 18은 본 발명의 제2 실시예에 따른 주파수 영역 광음향 측정에서 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법의 흐름도이다. 본 발명의 제1 실시예에서는 다수 개의 주기 신호를 광 흡수체(20)에 흡수시켰으나, 본 발명의 제2 실시예에서는 다수 개의 처프 신호를 광 흡수체(20)에 흡수시키는 점에서 차이가 있다.
처리장치(300)는 우선 광원(100)을 통해 방출될 처프 신호의 주파수 범위를 상이하게 다수 개 선택할 수 있다(S210). 예를 들어, 처리장치(300)는 광원(100)을 통해 방출될 각 처프 신호의 주파수 범위를 1~5MHZ 내에서 M개로 나눈 것으로 선택할 수 있다. 만일 M이 8인 경우, 처리장치(300)는 광원(100)을 통해 방출될 각 처프 신호의 주파수 범위를 1~1.5MHz, 1.5~2MHz, 2~2.5MHz, 2.5~3MHz, 3~3.5MHz, 3.5~4MHz, 4~4.5MHz, 4.5~5MHz와 같이 선택할 수 있다. 만일 M이 16인 경우, 처리장치(300)는 광원(100)을 통해 방출될 각 처프 신호의 주파수 범위를 1~1.25MHz, 1.25~1.5MHz, 1.5~1.75MHz, 1.75~2MHz, 2~2.25MHz, 2.25~2.5MHz, 2.5~2.75MHz, 2.75~3MHz, 3~3.25MHz, 3.25~3.5MHz, 3.5~3.75MHz, 3.75~4MHz, 4~4.25MHz, 4.25~4.5MHz, 4.5~4.75MHz, 4.75~5MHz와 같이 선택할 수 있다.
이 경우 광원(100)에서는 상기 처리장치(300)에 의해 선택된 다수 개의 주파수 범위를 갖는 처프 신호 각각을 광 확산 매체(10)로 순차적으로 방출하여, 상기 광 확산 매체(10)의 내부에 위치하는 광 흡수체(20)에 흡수시킬 수 있다(S220).
광원(100)이 상기 처리장치(300)에 의해 선택된 다수 개의 주파수 범위를 갖는 처프 신호 각각을 광 확산 매체(10)로 방출할 경우, 상기 광 확산 매체(10)의 내부에 위치하는 광 흡수체(20)에서는 처프 형태의 광음향 신호가 발생하게 된다. 이때 광음향 측정기(200)는 상기 다수 개의 주파수 범위를 갖는 처프 신호 각각이 상기 광 흡수체(20)에 흡수됨에 따라 발생하는 다수 개의 광음향 신호를 측정한다(S230). 이후 처리장치(300)는 상기 광음향 측정기(200)에 의해 측정된 다수 개의 광음향 신호를 주파수 영역에서 처리함으로써(S240), 주파수 영역 광음향 측정에서 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 광음향 측정기(200)에 의해 측정되는 다수 개의 광음향 신호에 대해 처리장치(300)가 정합 필터링 처리를 하는 방법으로는 결맞음 합산 방법과 비결맞음 합산 방법이 있다.
구체적으로, 처리장치(300)는 상기 수학식 13 및 14를 통해 설명한 바와 동일한 방식으로(즉, 결맞음 합산 방법), 주파수 영역에서 다수 개의 광음향 신호를 합산하여 광음향 신호 합산값을 산출하고(S241), 이후 상기 광음향 신호 합산값을, 상기 다수 개의 주파수 범위를 갖는 처프 신호를 이용해서 정합 필터링 처리할 수 있다(S242). 여기서, 처리장치(300)는 주파수 영역에서 상기 다수 개의 주파수 범위를 갖는 처프 신호 각각의 컨쥬게이트값을 합산한 처프 신호의 컨쥬게이트 합산값에 의해, 상기 광음향 신호 합산값의 정합 필터링 처리를 할 수 있다.
또는, 처리장치(300)는 상기 수학식 15 및 16을 통해 설명한 바와 동일한 방식으로(비결맞음 합산 방법), 주파수 영역에서 다수 개의 광음향 신호 각각을, 상기 각각의 광음향 신호를 발생시키는데 기인한 처프 신호를 이용해서 정합 필터링 처리를 하여 유닛 광음향 스펙트럼 다수 개를 산출할 수 있다(S243). 여기서, 처리장치(300)는 주파수 영역에서 상기 각각의 광음향 신호를 발생시키는데 기인한 처프 신호의 컨쥬게이트값에 의해 상기 각각의 광음향 신호의 정합 필터링 처리를 하여, 상기 유닛 광음향 스펙트럼 다수 개를 산출할 수 있다. 이후, 처리장치(300)는 상기 유닛 광음향 스펙트럼 다수 개를 합산할 수 있다(S244).
도 19는 다수 개의 상이한 주파수 범위를 갖는 처프 신호를 광 흡수체에 흡수시킨 뒤, 결맞음 합산 방법으로 획득한 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다. 구체적으로, 도 19는 처리장치(300)가 1~5MHz의 주파수 구간 내에서 M=8개의 주파수 범위(8 chirp signals) 또는 M=16개의 주파수 범위(16 chirp signals)를 선택해서, 각 주파수 범위에 해당하는 처프 신호 다수 개가 광원(100)을 통해 순차적으로 방출되도록 한 뒤, 광음향 측정기(200)가 측정한 다수 개의 광음향 신호를 상기 수학식 13 및 14로 계산하고, 상기 수학식 13 및 14의 계산 결과를 수학식 9에 대입하여 상기 광음향 신호의 신호 대 잡음비(coherent SNRchirp)를 계산한 것이다.
그리고 도 20은 다수 개의 상이한 주파수 범위를 갖는 처프 신호를 광 흡수체에 흡수시킨 뒤, 비결맞음 합산 방법으로 획득한 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 나타낸 도면이다. 구체적으로, 도 20은 처리장치(300)가 1~5MHz의 주파수 구간 내에서 M=8개의 주파수 범위(8 Chirp signals) 또는 M=16개의 주파수 범위(16 Chirp signals)를 선택해서, 각 주파수 범위에 해당하는 처프 신호 다수 개가 광원(100)을 통해 순차적으로 방출되도록 한 뒤, 광음향 측정기(200)가 측정한 다수 개의 광음향 신호를 상기 수학식 15 및 16으로 계산하고, 상기 수학식 15 및 16의 계산 결과를 수학식 9에 대입하여 상기 광음향 신호의 신호 대 잡음비(incoherent SNRchirp)를 계산한 것이다.
도 19에서 알 수 있듯이, 다수 개(예를 들어, 8개 또는 16개)의 상이한 주파수 범위를 갖는 처프 신호를 광 흡수체(20)에 흡수시킨 뒤 결맞음 합산 방법으로 획득한 광음향 신호의 신호 대 잡음비(coherent SNRchirp)는, 도 7에 나타낸 단일 개의 처프 신호를 광 흡수체(20)에 흡수시킨 뒤 획득한 광음향 신호의 신호 대 잡음비(SNRchirp)에 비해 크다는 것을 알 수 있다.
또한, 도 20에서 알 수 있듯이, 다수 개(예를 들어, 8개 또는 16개)의 상이한 주파수 범위를 갖는 처프 신호를 광 흡수체(20)에 흡수시킨 뒤 비결맞음 합산 방법으로 획득한 광음향 신호의 신호 대 잡음비(incoherent SNRchirp)는, 도 7에 나타낸 단일 개의 처프 신호를 광 흡수체(20)에 흡수시킨 뒤 획득한 광음향 신호의 신호 대 잡음비(SNRchirp), 그리고 도 19에 나타낸 광음향 신호의 신호 대 잡음비(coherent SNRchirp)에 비해 매우 크다는 것을 알 수 있다.
앞에서는 처리장치(300)가 광원(100)을 통해 방출될 처프 신호의 주파수 구간을 1~5MHz로 설정하였고, 그 주파수 구간 내에서 M=8개 또는 M=16개의 주파수 범위를 동일한 간격으로 선택하였다. 하지만 처리장치(300)는 광원(100)을 통해 방출될 처프 신호의 주파수 구간을 1~5MHz 이외의 구간으로 설정할 수 있고, 주파수의 개수도 얼마든지 다양하게 선택할 수 있으며, 다수 개의 주파수 범위를 반드시 동일한 간격으로 선택할 필요가 없고, 선택되는 다수 개 주파수 범위에서의 주파수 위상 역시 반드시 동일하게 할 필요도 없다.
즉, 처리장치(300)가 주파수 구간, 주파수의 선택 개수, 다수 개의 주파수 범위 간 간격 또는 다수 개 주파수 범위에서의 주파수 위상을 앞서 설명한 예와 달리하더라도, 상이한 주파수 범위를 갖는 처프 신호 다수 개를 광 흡수체(20)에 흡수시킨 뒤, 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호를 처리장치(300)가 결맞음 또는 비결맞음 합산 방법으로 처리할 경우에는, 단일 개의 처프 신호를 광 흡수체(20)에 흡수시키는 경우(도 7 참고)에 비해, 광음향 측정기(200)로 측정되는 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있음이 확인되었다.
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.
10: 광 확산 매체
20: 광 흡수체
100: 광원
200: 광음향 측정기
300: 처리장치

Claims (10)

  1. (a) 처리장치가 광원을 통해 방출될 주기 신호의 주파수를 상이하게 다수 개 선택하는 단계;
    (b) 상기 광원이 상기 처리장치에 의해 선택된 다수 개의 주파수를 갖는 주기 신호 각각을 광 확산 매체로 방출하여, 상기 광 확산 매체의 내부에 위치하는 광 흡수체에 흡수시키는 단계;
    (c) 상기 다수 개의 주파수를 갖는 주기 신호 각각이 상기 광 흡수체에 흡수됨에 따라 발생하는 다수 개의 광음향 신호를 광음향 측정기가 측정하는 단계; 및
    (d) 상기 처리장치가 상기 광음향 측정기에 의해 측정된 다수 개의 광음향 신호를 주파수 영역에서 결맞음 합산 방법으로 처리하는 단계;를 포함하고,
    상기 광원에서 방출될 주기 신호는, 그 입사빔의 세기가 시간에 따라 변하는 것을 특징으로 하며,
    상기 (d) 단계는,
    (d11) 상기 주파수 영역에서 상기 다수 개의 광음향 신호를 합산하여 광음향 신호 합산값을 산출하는 단계; 및
    (d12) 상기 광음향 신호 합산값을, 상기 다수 개의 주파수를 갖는 주기 신호를 이용해서 정합 필터링 처리하는 단계;를 포함하고,
    상기 (d12) 단계는,
    상기 주파수 영역에서 상기 다수 개의 주파수를 갖는 주기 신호 각각의 컨쥬게이트값을 합산한 주기 신호의 컨쥬게이트 합산값에 의해, 상기 광음향 신호 합산값의 정합 필터링 처리가 이루어지는 것을 특징으로 하는 주파수 영역 광음향 측정에서 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. (a) 처리장치가 광원을 통해 방출될 주기 신호의 주파수를 상이하게 다수 개 선택하는 단계;
    (b) 상기 광원이 상기 처리장치에 의해 선택된 다수 개의 주파수를 갖는 주기 신호 각각을 광 확산 매체로 방출하여, 상기 광 확산 매체의 내부에 위치하는 광 흡수체에 흡수시키는 단계;
    (c) 상기 다수 개의 주파수를 갖는 주기 신호 각각이 상기 광 흡수체에 흡수됨에 따라 발생하는 다수 개의 광음향 신호를 광음향 측정기가 측정하는 단계; 및
    (d) 상기 처리장치가 상기 광음향 측정기에 의해 측정된 다수 개의 광음향 신호를 주파수 영역에서 결맞음 합산 방법으로 처리하는 단계;를 포함하고,
    상기 광원에서 방출될 주기 신호는, 그 입사빔의 세기가 시간에 따라 변하는 것을 특징으로 하며,
    상기 (d) 단계는,
    (d21) 상기 주파수 영역에서 상기 다수 개의 광음향 신호 각각을, 상기 각각의 광음향 신호를 발생시키는데 기인한 상기 주기 신호를 이용해서 정합 필터링 처리를 하여 유닛 광음향 스펙트럼 다수 개를 산출하는 단계; 및
    (d22) 상기 유닛 광음향 스펙트럼 다수 개를 합산하는 단계;를 포함하고,
    상기 (d21) 단계는,
    상기 주파수 영역에서 상기 각각의 광음향 신호를 발생시키는데 기인한 상기 주기 신호의 컨쥬게이트값에 의해, 상기 각각의 광음향 신호의 정합 필터링 처리가 이루어지는 것을 특징으로 하는 주파수 영역 광음향 측정에서 광음향 신호의 신호 대 잡음비를 향상시키는 방법.
  5. 삭제
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