KR20040056252A - 초음파 수신 신호의 도달시간 결정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초음파 수신 신호의 최초 도달시간을 결정하기 위한 방법에 관한 것으로서, 첫번째 신호는 그 크기가 매우 미약하고 노이즈도 심하여 정확한 값을 측정하기 어려우므로, 이를 제외한 첫번째 신호 이후의 펄스신호에 대한 수신시간에 따른 기울기 정보를 이용하여, 초음파 수신신호의 세기가 약할 때나 초음파 수신신호의 파형이 왜곡되는 경우에도 보다 정확하게 수신된 초음파 신호의 시작점을 찾음으로써, 초음파 신호를 수신하여 초음파가 송신부에서 수신부까지 전달되는데 소요되는 초음파 전달시간을 정확하게 계산할 수 있는 장점이 있다.

Description

초음파 수신 신호의 도달시간 결정방법{Method for finding the transit time of ultrasonic reception signal}

본 발명은 초음파 수신 신호의 최초 도달시간을 결정하기 위한 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 첫번째 신호가 그 크기가 매우 미약하고 노이즈도 심하여 정확한 값을 측정하기 어려우므로, 이를 제외한 첫번째 신호 이후의 펄스신호에 대한 기울기 정보를 이용하여, 초음파 수신신호의 세기가 약할 때나 초음파 수신신호의 파형이 왜곡되는 경우에도 보다 정확하게 수신된 초음파 신호의 시작점을 찾음으로써, 초음파 신호를 수신하여 초음파가 송신부에서 수신부까지 전달되는데 소요되는 초음파 전달시간을 정확하게 계산하기 위한 초음파 수신 신호의 도달시간 결정방법에 관한 것이다.

종래, 수신된 초음파 신호를 처리하는 방법에는 크게 두 가지가 사용되었는데, 이들 중 그 첫번째는 수신된 신호의 수신파형의 첫번째 펄스나 두번째 펄스, 대개는 첫번째 펄스가 노이즈와 구분하기 어렵기 때문에 두번째 펄스, 의 첨두값을 기준으로 일정수준의 문턱값(threshold level)를 결정하여 수신파형을 비교기 회로(Schmitter Trigger 회로)를 이용하여 이진화하여 초음파 전달시간을 결정하였다. 그러나, 이러한 방법의 경우 수신부 신호검출기의 비교전압을 고정시킴으로써 수신된 신호의 세기가 약할 때에는 초음파가 수신되기까지의 도달시간을 정확히 측정할 수 없는 문제점을 가졌다. 또 다른 방법은 수신파형의 각 펄스의 첨두값을 계산하여 인접한 펄스간에 첨두값 차를 계산하여 그 값이 최대가 되는 펄스를 기준으로 초음파 전달시간을 결정하는 방법이다. 그러나, 이러한 방법 또한 수신된 초음파의 파형이 왜곡되는 경우에는 인접한 펄스간에 첨두값 차의 최대점이 바뀌는 문제점이 있었다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 더욱 효율적으로 해결하기 위하여 제공된 것으로서, 그 목적은 초음파 수신신호의 세기가 약할 때나 초음파 수신신호의 파형이 왜곡되는 경우에도 보다 정확하게 수신된 초음파 신호의 시작점을 찾음으로써 초음파가 송신부에서 수신부까지 전달되는데 소요되는 초음파 전달시간을 정확하게 계산하기 위한 신호처리 방법을 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 초음파 신호처리 알고리즘 개념도.

도 2는 실제 측정된 초음파 수신신호의 파형을 나타낸 사진.

도 3은 실제 측정된 초음파 수신신호의 기울기 정보를 이용한 신호처리 개념도.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 초음파 수신 신호의 도달시간 결정방법은, 수신된 초음파 신호의 두번째 내지 네번째 초음파 수신 신호 중 두 개의 신호를 선택하는 단계와; 상기 두 개의 수신 신호 각각의 첨두값에 대한 수신 시간과 펄스의 크기를 이용하여, 수신 시간과 펄스의 크기를 변수로 하는 직선의 관계식을 구하는 단계와; 상기 직선의 관계식에서 펄스의 크기가 0일 때의 수신 시간을 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명에 따른 초음파 수신 신호의 최초 도달시간을 결정하기 위한 방법과 관련하여 일반적인 원리를 먼저 설명한 후, 첨부된 도면을 참조하여 그 결정방법을 더욱 상세하게 살펴보지만, 본 발명이 이들에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 초음파 신호 기울기 정보를 추출하기 위한 초음파 신호처리 알고리즘 개념도이며, 도 2는 실제 측정된 초음파 수신신호의 파형을 나타낸 사진이고, 도 3은 실제 측정된 초음파 수신신호의 기울기 정보를 이용한 신호처리 개념도이다.

일반적으로 공기 중을 통해 전파된 초음파 신호는 도 2에서의 실제 초음파 수신 파형에서와 같이 수신측에서 관찰 시에 신호감쇄가 크고 유량계 설치부의 열악한 환경 등에 의해 주변의 노이즈가 신호에 함께 혼입되어 나타난다. 초음파 신호의 공진특성상 대부분의 경우 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 특히 첫번째 수신신호는 다른 신호에 비해 그 크기가 매우 미약하고 노이즈로 인해 신호의 구별이 매우 힘들다. 그러나, 두번째 신호펄스부터는 노이즈에 비해서 상대적으로 신호가 큰 값을 가지기 때문에 신호의 수신이 쉬운 경향이 있다.

본 발명에서는 초음파 수신 신호의 최초 도달시간을 결정하기 위하여 다른펄스들에 비해 상대적으로 그 크기가 매우 미약한 첫번째 펄스신호는 신호 수신 시 일정한 문턱 값(threshold level)을 적용해서 무시해버린다. 따라서, 초음파 수신신호를 처리하는 신호처리용 DSP 프로세서에서는 두번째 펄스신호부터 신호의 첨두값과 이 신호의 도달시간을 측정한다. 즉, 본 발명에서 적용된 수신신호 처리 방법은 첫번째 신호 이후의 펄스신호에 대한 기울기 정보로부터 첫번째 신호의 위치를 검출하는 방법이다.

더욱 상세하게는, 본 발명에서의 신호처리 방법인 초음파 수신 신호의 도달시간 결정방법을 적용하기 위하여, 요구되는 정보는 2~4번째 펄스의 첨두값인 V₁~V₃와 각각에 대한 펄스신호 수신시간 t₁~t₃에 대한 정보로서, DSP 프로세서에서 추출된다. 이렇게 하여 2∼4번째 펄스에서 얻어진 펄스 첨두값에 대한 수신시간을 이용하여, 수신시간과 펄스의 크기를 변수로 하는 직선의 관계식을 구하고, 이를 이용하여 최종적으로 첨두값의 기울기 직선이 시간축과 만나는 교차지점에 대한 시각을 추출하면 이 값이 초음파 수신신호의 최초 도달시간이 된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 그 직선의 관계식은 하기의 방법에 의해 구해지며, 이러한 직선의 관계식으로부터 초음파 수신신호의 최초 도달시간이 구해질 수 있다.

하기 식중 펄스크기는 V로, 수신시간은 t로 표기하며, 두번째 펄스크기를 V₁이라 하고 이후 순차적으로 그 펄스크기를 V₂, V₃, V₄등으로 나타내며, 두번째 수신시간을 t₁이라 하고 이후 순차적으로 그 수신시간을 t₂, t₃, t₄등으로 나타내고, 첫번째 수신시간은 t_z로 표기한다. 따라서, 수신시간에 대한 펄스크기 정보는 (t₁, V₁), (t₂, V₂), (t₃, V₃), (t₄, V₄) 등으로 나타낼 수 있으며, 이들을 연결한 직선의 방정식을 가정할 수 있다. 본 발명에서는 특히 두번째 내지 네번째 수신된 초음파 신호를 이용하여 초음파 수신 신호의 최초 도달시간을 결정하는 것이 바람직하다.

먼저, 원점을 지나는 직선은 하기 수학식 1과 같은 수식으로 표기되며, t축으로 t_z만큼 이동된 직선은 하기 수학식 2와 같은 수식으로 표기된다.

상기 수학식 1, 2로부터, 펄스신호의 첨두값을 연결하는 직선의 기울기, "a"를 구할 수 있다. 하기의 수학식 3은 두번째 내지 네번째 펄스크기 중 두 값, 즉, x와 y를 선택하여 적용시킬 경우 그 기울기 값을 나타낸 것이다.

(상기 식중, x는 2 내지 3의 정수이고, y는 x를 제외한 1 내지 2의 정수임)

한편, 상기 수학식 2를 시간에 대한 함수로 정리하면 하기 수학식 4와 같이 표기된다.

상기 수학식 4에 t=t_x일 때 V=V_x를 대입하면 하기 수학식 5와 같고, 이를 t_z에 대해 정리하고 기울기 값 a에 대해 수학식 3을 대입하면 최종적으로 첫번째 펄스신호에 대한 도달시각 t_z는 하기 수학식 6과 같이 얻어진다.

,

상기 수학식 6을 이용하여 초음파 수신파형의 기울기 정보로부터 초음파 수신신호의 도달시간을 기존의 방법에서 보다 정확하게 계산할 수 있게 된다.

이상에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 초음파 수신 신호의 최초 도달시간을 결정하기 위한 방법에 따르면 기존의 방법에 비하여 더욱 정확하게 초음파 송신부에서 수신부까지 전달되는 수신시간을 측정할 수 있으며, 초음파를 이용한 계측장치인 초음파 유량계, 초음파 거리계 등의 계측 측정 정밀도를 높이고 신뢰성을향상시킬 수 있는 장점이 있다.

이상에서 본 발명은 기재된 실시예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (1)

1. 초음파 수신 신호의 최초 도달시간을 결정하기 위한 방법에 있어서,

   수신된 초음파 신호의 두번째 내지 네번째 초음파 수신 신호 중 두 개의 신호를 선택하는 단계와;

   상기 두 개의 수신 신호 각각의 첨두값에 대한 수신 시간과 펄스의 크기를 이용하여, 수신 시간과 펄스의 크기를 변수로 하는 직선의 관계식을 구하는 단계와;

   상기 직선의 관계식에서 펄스의 크기가 0일 때의 수신 시간을 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 수신 신호의 도달시간 결정방법.