KR950013122B1 - 초음파신호의 디지탈집속방법 및 그 장치 - Google Patents

초음파신호의 디지탈집속방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

초음파신호의 디지탈집속방법 및 그 장치
제 1 도는 일반적인 초음파검사시스템을 개략적으로 나타내는 블록도,
제 2 도는 종래의 초음파신호집속장치의 일 예를 나타내는 블록도,
제 3 도는 종래의 초음파신호집속장치의 다른 일 예를 나타내는 블록도,
제 4 도는 본 발명에 의한 초음파신호의 디지탈집속의 일 실시예를 나타내는 블록도.
제 5 도는 제 4 도 장치의 일부를 설명하기 위한 개념도,
제 6 도는 본 발명에 의한 초음파신호의 디지탈집속장치의 다른 일 실시예를 나타내는 블록도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10,20,30,40 : 격자형변환기 11 : 펄스발생기
12 : 스위치 13 : 대상체
14 : 증폭기 15 : 신호처리기
16 : 음극선관 21 : 지연부
22,34,45 : 가산부 23,34,45 : 가산부
23,35,46,71 : 포락선검출부 31 : A/D변환부
32,43 : 클럭발생부 33,44 : 메모리
41 : 위상변환부 61,62 : 저역통과필터
63,64 : A/D변환기 65 : 클럭발생부
66,67 : 메모리 68 : 위상보상부
69,70 : 가산기 A/D : A/D변환기
D/A : A/D변환기 ADD1,ADD2 : 가산기
DLY : 지연기 MUL : 곱셈기
본 발명은 초음파검사장치에서 대상체로 대상체로 부터 반사되어 수신되는 신호를 집속하는 방식에 관한 것으로, 특히 반사되는 신호를 대역폭샘플링방식(Bandwidth Sampling Techniques)으로 샘플링하여 디지탈처리하고 집속함으로써 모든 픽셀(pixel)에서의 집속을 가능하게 하고 포락선검파가 용이하도록 한 초음파신호의 디지탈집속방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 초음파검사장치는 검사하고자 하는 대상체에 초음파신호를 발사하고, 그 결과 대상체의 불연속면에서 반사되어 되돌아오는 초음파신호를 수신한 다음, 그 수신된 초음파신호를 전기적신호로 변환하여 소정의 영상장치에 출력함으로써 대상체의 내부 상태를 검사한다. 이러한 초음파검사장치는 의료진단용, 비파괴검사 및 수중탐색 등에 널리 사용되고 있다. 초음파검사장치의 기능을 향상시키는 중요한 요인의 하나는 화면의 해상도이며, 이 해상도를 개선하기 위한 개발이 꾸준히 진행되고 있다.
제 1 도는 일반적인 초음파검사장치의 구성을 대략적으로 나타내는 블록도이다. 펄스발생기(11)에서 발생되는 펄스신호가 스위치(12)를 통해 탐촉자의 격자형변환기(10)로 인가되면, 격자형변환기(10)는 전기적인 펄스신호를 초음파신호로 변환하여 대상체(13)로 발사한다. 그러면, 초음파신호는 전파매질 중대상체(13)의 불연속면에서 반사되고, 그 반사신호는 격자형변환기(10)로 입사된다. 이때, 대상체(13)에 다수의 불연속경계면이 존재하는 경우, 각 경계면에서 초음파신호가 순차적으로 반사되어 격자형변환기(10)로 입사된다. 격자형변환기(10)는 다수의 변환소자로 이루어지는데, 입사되는 초음파신호는 변환소자의 물질을 자극하게 되고, 이에 따라 그 초음파신호의 강도에 비례하는 전계가 발생됨으로써 전기적신호로 변환된다. 이 전기적신호는 다시 스위치(12)를 거쳐 증폭기(14)에서 소정크기로 증폭된 다음, 신호처리기(11)에서 영상신호로 처리되어 음극선관(16)으로 전송된다.
이러한, 초음파검사장치에서 탐촉자의 격자형변환기는 다수의 변환소자가 어레이(array)로 연결되어 있는데, 이것은 검사결과 출력되는 화면의 해상도를 증가시키기 위해서이다. 대상체에서 반사되어 격자형변환기로 입사되는 초음파신호는 각 변환소자의 위치에 따라 그 변환소자에 도달하는 시간이 각각 다르다. 즉, 중앙에서 멀리 위치할수록 도달시간은 증가하게 된다. 이와 같이 서로 다른 도달시간을 갖고 입사되는 초음파신호는 각 변환소자에서 전기적신호로 변환된다. 그리면, 각 변환소자에서 출력되는 전기적신호를 집속하기 위해서는 전술한 도달시간의 차이만큼을 각각 지연시켜 보상해 주어야 한다.
제 2 도는 종래의 수신신호 집속장치의 일 예를 나타낸다. 제 2 도의 장치에서, 격자형변환기(20)는 "n"개의 변환소자로 구성되며 각 변환소자에서 전기적신호로 변환되어 출력되는 수신 신호를 "n"개의 지연기(DLY1∼DLYn)로 각각 공급한다. 그러면 각 지연기는 도달시간이 짧은 "j"번째의 변환소자로 부터 입력되는 신호에는 제일 긴 지연시간을 주고, 도달시간이 가장 긴 "1"번째 및 "n"번째의 변환소자로 부터 입력되는 신호에는 제일 짧은 지연시간을 주어서, 지연된 신호들이 동시에 가산부(22)로 출력되도록 한다. 각 지연기에서 출력되는 지연신호는 가산부(22)에서 가산되어 집속신호로서 출력된다. 이와 같이, 각 변환소자의 출력단에 소정의 지연시간 값을 갖는 지연소자들을 각각 결합하여 각 변환소자의 출력신호를 지연함으로써, 대상체에서 반사된 초음파신호가 각 변환소자에 도달하는 시간적인 차이를 보상하여 준다.
그러나, 종래의 초음파검사시스템의 집속점이 바뀔 경우, 이에 따라 각 변환소자에 연결되어 있는 지연소자들의 지연시간이 변해야 하므로, 집속점이 증가할수록 하드웨어가 복잡해지고 이로인해 집속점의 숫자가 크게 제한되며 해상도가 저하되는 문제점이 있었다.
제 3 도는 종래의 수신신호 집속장치의 다른 일 예를 나타내는 블록도로서, 제 3 도의 장치는 Pipelined Sampled Delay Focusing(PSDF) 장치라고 한다. 제 3 도의 장치에서, 격자형변환기(30)는 "n"개의 변환소자로 구성되며 각 변환소자에서 전기적신호로 변환되어 출력되는 수신신호를 디지탈로 처리하기 위해 A/D변환부(31) 의 "n"개의 A/D변환기 (A/D1∼A/Dn)로 각각 공급한다. A/D변환부(31)는 클럭 발생부(32)에서 공급되는 샘플링클럭의 수파수(fs)에 따라 변환소자로 부터 입력되는 신호를 디지탈 신호로 변환하여 각각의 메모리(FIFO1∼FIFOn)에 저장한다. 이 때 클럭발생부(32)의 샘플링클럭은 균일클럭(Uniform Clock)이 아닌, 동적집속에 다른 각 집속점에 따라 변하는 지연시간에 맞추어진 가변샘플링클럭이다. 각 메모리(FIFO1∼FIFOn)는 선입선출(First-in First-Out) 메모리로 구성되며, 먼저 들어온 데이타가 먼저 출력되는 특성에 의해서 A/D변환부(31)의 출력데이타는 메모리부(33)에 입력되는 순서대로 메모리부(33)의 출력단이 정렬되므로, 임의의 집속점에서 반사되어 각 변환소자에 수신된 초음파신호는 메모리부(33)의 출력단의 동일한 위치에 저장된다. 따라서 최초의 데이타가 메모리부(33)에 입력되고 나서 최대 지연시간이 경과한 후에, 메모리부(33)로 부터 데이타를 동시에 연속하여 읽어내어 이 출력데이타들을 가산부(34)에서 더 함으로써 동적집속(dynamic focusing)이 이루어진다. 그러나, 이 방법은 수신시 동적집속을 원하는 모든 집속점에서 수행함으로써 최대의 해상도를 얻을 수는 있으나, RF 신호를 샘플링하여야 하므로 샘플링주파수가 매우 높아진다. 일 예로 3.5MHz 격자형변환기의 경우 28MHz 이상의 샘플링주파수가 요구된다.
따라서, A/D변환기와 메모리를 비롯한 주변회로들 역시 고속의 장치들을 사용해야 하므로 상대적으로 높은 제작비가 요구되고, 고주파성분에 의해 시스템 노이즈가 발생하는 문제점이 있다. 또한, 초음파영상장치에서 최종적으로 필요로 하는 신호는 집속된 RF 신호가 아니라 집속된 RF신호의 포락선이므로 포락선검출을 수행해야 한다. 하지만, 디지탈영역에서 28MHz 이상의 고주파로 부터 샘플링된 데이타에서 포락선을 검출하는 것은 매우 어려운 일이어서 제 3 도에서와 같이 집속된 디지탈 RF데이타를 다시 아날로그로 변환하여 포락선검출을 해야 하므로 노이즈가 발생하는 요인이 되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 초음파검사시스템에서 수신된 신호를 집속함에 있어서, 메모리를 사용하여 소정 갯수의 변환소자의 출력신호를 동시에 집속함과 아울러 메모리에 입력하기 위한 디지털신호로 변환하기 위해 대역폭샘플링을 수행함으로서, 수신된 신호의 동적집속이 가능하게 하고 동시에 디지탈신호에서의 포락선검출이 용이하게 하기 위한 초음파신호집속방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 진술한 초음파신호집속방법을 실행하기 위해 하드웨어적으로 구현한 초음파신호집속장치를 제공함에 있다.
이와같은 본 발명의 목적은 대상체의 소정 반사위치에서 반사되는 초음파신호를 수신하고, 이 수신된 초음파신호를 전기적 신호로 변환하는 다수의 변환소자를 구비한 초음파검사시스템에서, 상기 다수의 변환소자에서 각각 출력되는 전기적초음파신호를 집속하기 위한 장치에 있어서, 소정 갯수의 전기적초음파 신호를 인가받아 사전 설정된 위상값으로 변환한 위상변환신호를 각각 출력하는 위상변환부와, 소정의 샘플링주파수를 갖는 샘플링클럭을 발생하여 A/D변환부로 출력하는 클럭발생부와, 소정 갯수의 전기적초음파신호를 공급받아 샘플링주파수에 따라 디지탈신호로 각 변환하는 제 1 A/D변환기군과 소정 갯수의 위상 변환신호를 인가받아 샘플링주파수에 따라 디지탈신호로 각 변환하는 제 2 A/D변환기군을 구비하고 있는 A/D변환부와, 제 1 A/D변환기군으로 부터 출력되는 소정 갯수의 디지탈신호를 저장하여 동시에 출력하는 제 1 메모리군과 제 2 A/D변환기군으로 부터 출력되는 소정 갯수의 디지탈신호를 저장하여 동시에 출력하는 제 2 메모리군을 구비하고 있는 저장부와, 제 1 메모리군으로 부터 각 출력신호를 동시에 공급받아 가산하여 집속신호를 출력하는 제 1 가산기와 제 2 메모리군으로부터 각 출력신호를 동시에 공급받아 가산하여 집속신호를 출력하는 제 2 가산기를 구비하고 있는 가산부, 및 제 1 및 제 2 가산기로 부터 공급받는 각 집속신호의 포락선을 검출하는 포락선검출부를 포함하는 초음파신호의 디지탈집속장치에 의하여 달성된다.
본 발명의 목적은 또한, 대상체의 소정 반사위치에서 반사되는 초음파신호를 수신하고, 이 수신된 초음파신호를 전기적신호로 변환하는 다수의 변환소자를 구비한 초음파검사시스템에서, 상기 다수의 변환소자에서 각각 출력되는 전기적초음파신호를 집속하기 위한 장치에 있어서, 상기 전기적초음파신호 및 제 1 기준신호를 인가받아 곱해서 동위상신호를 출력하는 제 1 곱셈기군과 상기 전기적초음파신호 및 제 2 기준신호를 인가받아 곱해서 수직위상신호를 출력하는 제 2 곱셈기군을 구비하고 있는 곱셈부와, 제 1 곱셈기군으로 부터 상기 동위이상신호를 인가받아 저주파성분만 필터링하는 제 1 저역통과필터군과 상기 제 2 곱셈기군으로 부터 상기 수직위상신호를 인가받아 저주파성분만 필터링하는 제 2 저역통과필터군을 구비하고 있는 필터링부와, 소정의 샘플링주파수를 갖는 샘플링클럭을 발생하여 A/D변환수단으로 출력하는 클럭발생부와, 제 1 저역통과필터군의 출력을 인가받아 샘플링주파수에 따라 디지탈신호로 변환하는 제 1 A/D변환기군과 제 2 저역통과필터군의 출력을 인가받아 샘플링주파수에 따라 디지탈신호로 변환하는 제 2 A/D변환기군을 구비하고 있는 A/D변환부와, 제 1 A/D변환기군으로 부터 출력되는 소정 갯수의 디지탈신호를 저장하여 동시에 출력하는 제 1 메모리군과 제 2 A/D변환기군으로 부터 출력되는 소정 갯수의 디지탈신호를 저장하여 동시에 출력하는 제 2 메모리군을 구비하고 있는 저장부와, 저장부의 출력신호를 각각 인가받아 위상에러를 보상하는 위상보정부와, 위상보정된 동위상신호를 각각 인가받아 가산하여 집속신호를 출력하는 제 1 가산기와 위상보정된 수직위상신호를 각각 인가받아 가산하여 집속신호를 출력하는 제 2 가산기를 구비하고 있는 가산부, 및 가산부로 부터 각 집속신호를 공급받아 포락선을 검출하는 포락선검출부를 포함하는 초음파신호의 디지탈집속장치에 의하여 달성된다.
본 발명의 다른 목적은 대상체의 소정 반사위치에서 반사되는 초음파신호를 수신하고, 이 수신된 초음파신호를 전기적신호로 변환하는 다수의 변환소자를 구비한 초음파검사시스템에서, 상기 다수의 변환소자에서 각각 출력되는 전기적초음파신호를 집속하기 위한 방법에 있어서, 전기적초음파신호를 사전 설정된 위상값으로 각각 변환하는 단계와, 전기적초음파신호를 소정의 클럭주파수에 의해 디지탈형태로 각각 변환하는 단계와, 위상변환신호를 상기 클럭주파수에 의해 디지탈형태로 각각 변환하는 단계와, 디지탈형태의 전기적초음파신호를 저장하는 단계와, 상기 디지탈형태의 위상변환신호를 저장하는 단계와, 저장된 디지탈형태의 전기적초음파신호를 동시에 읽어들여 모두 더하는 제 1 가산단계와, 저장된 디지탈형태의 위상변환신호를 동시에 읽어들여 모두 더하는 제 2 가산단계, 및 상기 제 1 및 제 2 가산단계에 의해 가산된 신호들로부터 포락선을 검출하는 단계를 포함하는 초음파신호의 디지탈집속방법에 의하여 달성된다.
본 발명의 다른 목적은 또한, 대상체의 소정 반사위치에서 반사되는 초음파신호를 수신하고, 이 수신된 초음파신호를 전기적신호로 변환하는 다수의 변환소자를 구비한 초음파검사시스템에서, 상기 다수의 변환소자에서 각각 출력되는 전기적초음파신호를 집속하기 위한 방법에 있어서, 전기적초음파신호에 제 1 기준신호를 곱하는 단계와, 전기적초음파신호에 제 2 기준신호를 곱하는 단계와, 제 1 기준신호와 곱해진 전기적초음파신호에서 고주파성분을 제거하는 제 1 필터링단계와, 제 2 기준신호와 곱해진 전기적초음파신호에서 고주파성분을 제거하는 제 2 필터링단계와, 제 1 필터링한 신호를 소정의 샘플링주파수에 의해 디지탈형태로 변환하는 단계와, 제 2 필터링한 신호를 소정의 샘플링주파수에 의해 디지탈형태로 변환하는 단계와, 디지탈형태의 제 1 필터링신호를 저장하는 단계와, 디지탈형태의 제 2 필터링신호를 저장하는 단계와, 디지탈형태의 제 1 필터링신호 및 제 2 필터링신호를 위상보정하는 단계와, 위상보정된 디지탈형태의 제 1 필터링신호를 동시에 읽어들여서 모두 더하는 제 1 가산단계와, 위상보정된 디지탈형태의 제 2 필터링신호를 동시에 읽어들여서 모두 더하는 제 2 가산단계와, 제 1 및 제 2 가산단계에 의해 가산된 신호들로 부터 포락선을 검출하는 단계를 포함하는 초음파 신호의 디지탈집속방법에 의하여 달성된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.
제 4 도는 본 발명에 의한 초음파신호의 디지탈집속장치의 일 실시예를 나타낸다. 제 4 도의 장치에서, 격자형변환기(40)는 "n"개의 변환소자로 구성되며 각 변환소자의 출력단은 위상 변환부(41)내의 각 위상변환기(PDN1∼PDNn)의 입력단과 연결된다. 위상변환부(41)의 각 출력단은 A/D변환부(42)의 입력단과 연결되어 A/D변환부는 클럭발생부(43)로 부터 샘플링주파수(fs)를 공급받아 입력된 신호를 디지탈신호로 변환하여 메모리(44)에 저장한다. 메모리는 저장된 데이타를 동시에 가산부(45)로 출력하며 가산부 내의 제 1 및 제 2 가산기(ADD1, ADD2)의 출력단은 포락선검출부(46)의 입력단과 연결되어 포락선검출부(46)가 집속된 신호의 포락선을 검출하여 출력하도록 구성되어 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명을 제 5 도에 의해 보다 상세히 설명하기로 한다.
제 5 도는 제 4 도 장치의 일부를 설명하기 위한 개념도로서, 대역폭 샘플링(bandwidth sampling)방식 중의 하나인 해석적인 신호샘플링(Analytic-Signal Sampling)방식을 나타낸다. 해석적인 신호샘플링방식은 힐버트변환부(Hilbert transformer)(51)를 이용함으로써, 샘플링주파수가 신호의 대역폭(bandwidth) 이상만 유지하면 소망의 포락선을 쉽게 얻을 수 있게 된다. 각 변환소자로부터 입력되는 신호를 X(t)라 하고, 힐버트변환된 신호를(t)라고 하면, 이 두신호의 복소합(complex adding)으로 부터 해석적인 신호(XA(t))를 다음과 같이 얻을 수 있다.
XA(t)=X(t)+j(t) ………………………………………………… (1)
일반적으로, 힐버트변환된 신호의 퓨리에변환은 다음과 같은 특성을 가진다.
(2)식과 같은 힐버트변환의 퓨리에변환 특성때문에 (1)식의 해석적인 신호의 퓨리에변환은 다음과 같이 된다.
(3)식에서 해석적인 신호는 음(-)의 주파수 항이 제거되며, 따라서 (4)식과 같은 샘플링원칙에 의해 신호의 대역폭 이상의 샘플링주파수를 유지하여 주면 앨리어싱(aliasing)은 발생하지 않게 된다.
fs≥BW ………………………………………………………………………… (4)
위 식에서 fs는 샘플링주파수이며, BW는 신호의 대역폭이다.
원신호 X(t)는 일반적으로
X(t)=A(t)cos(ω0t+(t)) …………………………………………………… (5)
로 나타낼 수 있으므로, 주파수 ω0에 대해
Y(t)=XA(t)exp(-jω0t)=p(t)+jq(t)…………………………………………… (6)
와 같이 Y(t)를 정의할 수 있고, (6)식으로 부터 X(t)와(t)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
X(t)=Re[XA(t)]=Re[Y(t)exp(jω0t)]=p(t)cosω0t-q(t)sinω0t=AI(t)cosω0t-Aq(t)sinω0t …………………………………………………………………… (7)
(t)=Im[XA(t)]=Im[Y(t)exp(jω0t)]=q(t)cosω0t+p(t)sinω0t=AQ(t)cosω0t+AI(t)sinω0t………………………………………………………………(8)
위의 수식에서 AI(t)와 AQ(t)는 각각 X(t)의 동위상차 항(inphase)과 90°위상차 항(quadrature)이다. 따라서 k번째 샘플링지점에서의 포락선 값은 다음과 같이 얻을 수 있다.
A(kTs)=[X2(kTs)+ 2(kTs)]1/2…………………………… (9)
윗 식에서 Ts는 샘플링간격을 나타내며, Ts의 역수, 즉 샘플링주파수는 대역폭(bandwidth) 이상만 유지하면 된다. (9) 식에서 보는 바와 같이 해석적인 신호 샘플링방식으로 부터 포락선검파가 가능함을 확인할수 있다.
제 4 도의 장치는 이상과 같은 해석적인 신호 샘플링방식을 초음파신호집속에 대해 적용한 것이다.
제 4 도에서 우선, 격자형변환기(40)로 대상체(13)로 부터 반사되어 온 초음파신호가 입력되면 격자형변환기(40)는 이 신호를 전기적인 신호로 변환하게 된다. 이때, 격자형변환기의 "j"번째 변환소자로 되돌아오는 초음파반사신호는 (7)식으로 부터
Xj(t-τj)=AjI(t-τj)cosω0(t-τj)-AjQ(t-τj)sinω0(t-τj) ……………… (10)
로 나타낼 수 있다. (10)식에서 "τj"는 "j"번째 변환소자의 지연시간에 해당한다. (10)식을 위상변환부(41)에서 90°위상차를 준 신호, 즉 힐버트변환한 신호는 (8)식에 의해
j(t-τj)=AjQ(t-τj)cosω0(t-τj)-AjI(t-τj)sinω0(t-τj) …… (11)
이 된다. (10) 식 및 (11)식을 기존의 아날로그 지연기를 사용한 집속방식에 적용할 경우, 다음과 같이 된다.
Xj(t-(τj+djk))=AjI(t-τj+djk)cosω0(t-(τjdjk))-AjQ(t-(τjdjk))sinω0(τj+djk)) … (12)
j(t-(τj+djk))=AjQ(t-τj+djk)cosω0(t-(τjdjk))-AjI(t-(τjdjk))sinω0(τj+djk)) …(13)
위의 (12)식과 (13)식에서 "djk"는 "j"번째 변환소자의 신호를 "k"번째 집속점에 집속시키기 위한 지연시간을 의미한다. 즉, "τj+djk"항이 모든 변환소자에 대해서 일정하도록 "djk"를 결정하면 된다. 이로 부터 "k"번째의 샘플링데이타는
Xjk=Xj(kTs-(τj+djk))=Xj(t-τj)δ(t-(kTs-djk)) ………………………… (14)
jk= j(kTs-(τj+djk))= j(t-τj)δ(t-(kTs-djk)) …………………… (15)
로 나타내어진다. 윗 식에서 "Xjk" 및 " jk"는 "k"번째의 샘플링데이타이며, "Ts"는 샘플링주기이고, "δ(t)"는 Dirac-delta함수이다. 이때, "Ts"의 역수, 즉 샘플링주파수는 대역폭이상을 유지해야 한다.
여기서, "δ(t-(kTs-djk))"를 디지탈 초음파신호집속방식에 필요한 가변샘플링클럭으로 모델링할 수 있다. 따라서 초음파신호의 디지탈집속방식에서는 되돌아온 반사신호에 시간지연을 주는 것이 아니라, 클럭발생부(43)에서 출력되는 샘플링하는 클럭에 집속을 위한 시간지연을 줌으로써, 메모리부(44)의 출력단에서 자연정렬을 이루어 집속을 수행한다. 메모리부(44)로 부터 출력되는 데이타들은 가산부(45)에서 다음과 같이 더하여 짐으로써, "k"번째의 집속점에서 접속된 신호를 얻는다.
Xk=∑Xjk=cosω0(kTs-(τj+djk))∑AjI(kTs-(τj+djk))-sinω0(kTs-(τj+djk))∑AjQ(kTs-(τj+djk)) ……………………………………………………………………… (16)
k=∑ jk=cosω0(kTs-(τj+djk))∑AjQ(kTs-(τj+djk))+sinω0(kTs-(τj+djk))∑AjI(kTs-(τj+djk)) …………………………………………… (17)
윗 식에서 "Xk"는 제 1 가산기(ADD1)에서 더해진 "k"번째 집속점의 집속신호이며, " k"는 제 2 가산기(ADD2)에서 더해진 "k"번째 집속점의 집속신호이다. 이와 같이 가산부(45)에서 더하여진 신호들을 이용해서 다음과 같이 포락선데이타를 얻을 수 있다.
(Xk 2+ k 2)1/2=[{∑AjI(kTs-(τj+djk))}2+{∑AjQ(kTs-(τj+djk))}2]1/2… (18)
(18)식에서, 포락선데이타는 신호의 진폭을 의미하므로, (16) 식 및 (17)식의 복소합에 대한 진폭을 구하는 공식에 의해 얻어진 것이다.
제 6 도는 본 발명에 의한 초음파신호의 디지탈집속장치의 다른 일 실시예를 나타낸다. "n"개의 변환소자로 구성되는 격자형변환기에서 수신되는 초음파반사신호를 전기적신호로 변환하여 출력하는 "n"개의 신호는 집속을 위해 같은 과정이 적용되므로, 제 6 도에서는 "j"번째 변환소자에서 출력되는 신호에 대해서만 설명하기로 한다.
우선, "j"번째 변환소자의 출력은, 제 1 곱셈기 및 제 2 곱셈기(MUL1, MUL2)로 인가되어 제 1 및 제 2 기준신호(REF1, REF2)와 곱해져서 각 곱셈기(MUL1, MUL2)의 출력은 제 1 및 제 2 저역통과필터(61, 62)로 각 인가되며, 제 1 및 제 2 저역통과필터의 출력단은 제 1 및 제 2 A/D변환기(66, 67)의 입력단과 연결된다. 제 1 및 제 2 A/D변환기는 클럭발생부(65)로 부터 공급받는 샘플링주파수(fs)에 따라 제 1 및 제 2 메모리(66,67)에 출력을 저장하며 제 1 및 제 2 메모리(66, 67)는 또한 위상보정부(68)의 입력단과 연결된다. 위상보정부(68)는 제 1 및 제 2 메모리로부터 출력되는 신호를 제 3 및 제 4 기준신호와, 곱하는 제 3 내지 제 6 곱셈기(MUL3∼MUL5)와, 제 3 곱셈기의 출력에서 제 5 곱셈기의 출력을 감산하는 제 1 연산기(A1) 및 제 4 및 제 6 곱셈기의 출력을 가산하는 제 2 가산기(A2)로 이루어진다. 위상보정부(68)의 출력은 제 1 및 제 2 가산기(69, 70)에 인가되어 소정갯수의 변환소자로부터 공급되는 신호와 합해져서 포락선검출부(71)의 입력단에 공급되도록 구성되어 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 초음파신호의 디지탈 집속장치의 다른 일 실시예를 보다 상세히 설명하기로 한다.
제 6 도 장치는 대역폭샘플링(Bandwidth Sampling)방식 중의 하나인 직각샘플링(Quadrature Sampling)방식을 사용하여 초음파신호를 집속하는 장치이다. 직각샘플링방식은 소정갯수의 곱셈기와 저역통과필터를 이용하여 대상체로 부터 반사되어 오는 초음파반사신호를 RF(Radio Frequency)대역에서 베이스밴드(baseband)로 이동시킨 후에 샘플링을 하는 방식으로, 샘플링 주파수가 초음파반사신호의 대역폭(Bandwidth) 이상만 유지하면 초음파반사신호의 포락선을 쉽게 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다. 먼저, 초음파신호를 X(t)라 할 때
X(t)=A(t)cos(ω0+θ(t))=AI(t)cosω0t-AQ(t)sinω0t ………………… (19)
와 같이 나타낼 수 있다. (19)식에서 AI(t)는 X(t)의 동위상차(inphase)항이고, AQ(t)는 X(t)의 90°위상차(quadrature)항이다. 격자형변환기의 "j"번째 변환소자로 되돌아오는 초음파반사신호(RSj) "Xj(t)"는 (19)식으로 부터 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Xj(t-τj)=Aj(t-τj)cos(ω0(t-τj)+θ(t-τj))=AjI(t-τj)cosω0(t-τj)-AjQ(t-τj)sinω0(t-τj) …………………………………………………………………… (20)
여기서, "τj"는 격자형변환기의 중앙에 있는 변환소자에 대한 "j"번째 변환소자의 지연시간을 의미한다. 이와같은 초음파반사신호(RSj)가 제 1 곱셈기(MUL1)에 인가되어 제 1 기준신호(REF1)인 "cosωrt"와 곱해지고, 동시에 제 2 곱셈기(MUL2)에 인가되어서 제 2 기준신호(REF2)인 "sinωrt"와 곱해진다. 이때 ωr는 제 1 및 제 2 곱셈기(MUL1, MUL2)에서 사용되는 기준주파수이다. 제 1 및 제 2 곱셈기에서 각 기준신호와 혼합된 신호들은 다음 단의 제 1 및 제 2 저역통과필터(61, 62)에서 고주파성분이 제거되어 다음과 같이 각각 출력된다.
위식에서, 고주파성분인 주파수의 덧셈항((ω0+ωr)t)이 제거되는 것을 볼수 있다. (21) 식 및 (22)식의 두 신호(I1j, Q1j)는 제 1 및 제 2 A/D변환(63,64)로 각 인가되고, 제 1 및 제 2 A/D변환기(63, 64)는 클럭발생부(65)로 부터 출력되는 샘플링주파수(fs)에 의해 입력신호를 디지탈신호로 변환하여 제 1 및 제 2 메모리(66, 67)에 저장한다. 따라서 초음파신호의 디지탈집속방식에서는 되돌아온 초음파신호에 지연시간을 주는 것이 아니라, 샘플링하는 클럭(fs)에 집속을 위한 시간지연을 줌으로써, 각 메모리(66, 67)의 출력단에서 자연정렬을 이루어 집속을 수행한다.
제 1 메모리(66)로 부터 제 3 및 제 4 곱셈기(MUL3, MUL4)로 인가되는 신호(I2jk), 및 제 2 메모리(67)로 부터 제 5 및 제 6 곱셈기(MUL5, MUL6)로 인가되는 신호(Q2jk)는 다음과 같다.
여기서, "k"는 "k"번째 샘플링포인트를 나타내고, "Ts"는 샘플링주기를 나타내며, "mjk"는 "j"번째 변환소자와 중앙변환소자 사이의 시간지연의 차이를 나타낸다. 즉, "mjkTs τj"가 되도록 "mjk"를 선택해야 한다. "k"번째 집속점을 얻기 위해 모든 변환소자에 대해서 더하면 (23)식 및 (24)식에서 보는 바와같인 포락선은 시간지연의 차이를 보상하게 되지만, 위상항에 포함되는 "ωrmjkTs"는 모든 변환소자마다 서로 다른 "mjk"에 의해 다른 위상을 갖는 되는 에러가 발생한다. 이를 해결하기 위해 본 발명에서는 가산기를 통해 집속하기 전에 위상에러를 보상하는 위상보상부(68)가 포함되어 있다. 우선, (23)식 및 (24)식을 간단히 표시하기 위해 다음과 같은 식을 정의한다.
(25)식을 사용하면 (23)식 및 (24)식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
I2jk=BjI(k)cos(θ+Ψjk)-BjQ(k)sin(θ+Ψjk) ……………………………… (26)
Q2jk=-BjI(k)sin(θ+Ψjk)-BjQ(k)cos(θ+Ψjk) ……………………… (27)
여기서, 위상보상을 해주어야 할 것은 "Ψjk=-ωrmjkTs"이며, 이중 "ωr"과 "ts"는 미리 알고 있는 값이고 "mjk"도 집속점에 따라 변하는 값이기는 하지만 미리 알 수 있는 값이므로, "Ψjk"는 미리 계산하여 알수 있다. 따라서, 제 3 내지 제 6 곱셈기(MUL3∼MUL6)에 인가되는 제 3 및 제 4 기준신호(REF3, REF4)에 "Ψjk"값을 사용해서 위상보정을 할 수 있다. 제 3 곱셈기(MUL3)는 제 1 메모리(66)로 부터 인가되는 신호(I2jk) 및 제 3 기준신호(REF3)인 "cosΨjk"를 공급받아 곱해서 제 1 연산기(A1)로 출력하고, 제 4 곱셈기(MUL4)는 제 1 메모리(66)로부터 인가되는 신호(I2jk) 및 제 4 기준신호(REF4)인 "sinΨjk"를 공급받아 곱해서 제 2 연산기(A2)로 출력한다. 또한 제 5 곱셈기(MUL5)는 제 2 메모리(67)로 부터 인가되는 신호(Q2jk) 및 제 4 기준신호(REF4) 인 "sinΨjk"를 공급받아 곱해서 제 1 연산기(A1)로 출력하고, 제 6 곱셈기(MUL6)는 제 2 메모리(67)로 부터 인가되는 신호(Q2jk) 및 제 3 기준신호(REF3)인 "cosΨjk"를 공급받아 곱해서 제 2 연산기(A2)로 출력한다. 제 1 연산기(A1)는 제 3 곱셈기(MUL3)의 출력신호에서 제 5 곱셈기(MUL5)의 출력신호를 감산하여 제 1 가산기(69)로 출력하고, 제 2 연산기(A2)는 제 4 곱셈기(MUL4)의 출력신호와 제 6 곱셈기(MUL6)의 출력신호를 가산해서 제 2 가산기(70)로 출력한다. 이때, 제 1 연산기(A1) 및 제 2 연산기(A2)의 출력신호(Ijk, Qjk)는 제 3 내지 제 6 곱셈기(MUL3∼MUL6), 및 제 1 및 제 2 연산기(A1, A2)의 연산에 의해 전술한 위상에러(Ψjk)가 제거되어 다음 식과 같이 나타난다.
Ijk=I2jkcosΨjk-Q2jksinΨjk=BjI(k)cosθ-BjQ(k)sinθ…………………… (28)
Qjk=I2jksinΨjk+Q2jkcosΨjk=-BjI(k)sinθ-BjQ(k)cosθ………………… (29)
이와같이 위상보정부(68)에서 위상에러가 제거된 신호들이 제 1 및 제 2 가산기(69,70)에서 각 변환소자에 대해 각각 더해져서 다음 식과 같이 집속된다.
(30)식 및 (31)식과 같이 집속된 동위상차(inphase) 및 90°위상차(quadrature)의 두 성분으로 부터 포락선검출부(71)는 다음과 같이 간단하게 포락선 "A(kTs)"을 검출할 수 있다.
A(kTs)=(Ik2+Qk2)1/2……………………………………………………… (32)
제 4 도 및 제 6 도의 장치는 초음파신호의 집속방식 중 전술한 PSDF방식뿐만 아니라 합성집속법(Synthetic Focusing)에도 그대로 적용 가능하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 초음파신호의 디지탈집속방법 및 그 장치는 디지탈방식으로 초음파신호를 집속하면서도 디지탈처리의 문제점이 되었던 높은 샘플링주파수와 포락선검파의 어려움을 대역폭샘플링(Bandwidth Sampling) 방식중에서 해석적인 신호샘플링(Analytic-signal Sampling)방식 및 직각샘플링(Quadrature Sampling)방식을 사용하여 해결함으로써, 집속장치의 복잡성을 감소시키고 동적집속의 수행이 가능하게 하며 포락선검파를 용이하게 효과를 갖는다.

Claims (14)

  1. 대상체의 소정 반사위치에서 반사되는 초음파신호를 수신하고, 이 수신된 초음파신호를 전기적신호로 변환하는 다수의 변환소자를 구비한 초음파검사시스템에서, 상기 다수의 변환소자에서 각각 출력되는 전기적초음파신호를 집속하기 위한 장치에 있어서, 소정 갯수의 상기 전기적초음파신호를 인가받아 사전 설정된 위상값으로 변환한 위상변환신호를 각각 출력하는 위상변환수단; 소정의 샘플링주파수를 갖는 샘플링클럭을 발생하여 A/D변환수단으로 출력하는 클럭발생수단; 상기 소정 갯수의 전기적초음파신호를 공급받아 상기 클럭발생수단으로부터 인가되는 상기 샘플링주파수에 따라 디지탈신호로 각 변환하는 제 1 A/D변환기군과, 소정 갯수의 상기 위상변환신호를 인가받아 상기 클럭발생수단으로부터 인가되는 상기 샘플링주파수에 따라 디지탈신호로 각 변환하는 제 2 A/D변환기군을 구비하고 있는 A/D변환수단; 상기 제 1 A/D변환기군으로 부터 출력되는 소정 갯수의 디지탈신호를 저장하여 동시에 출력하는 제 1 메모리군과, 상기 제 2 A/D변환군으로 부터 출력되는 소정 갯수의 디지탈신호를 저장하여 동시에 출력하는 제 2 메모리군을 구비하고 있는 저장수단; 상기 제 1 메모리군으로부터 각 출력신호를 동시에 공급받아 가산하여 집속신호를 출력하는 제 1 가산기와, 상기 제 2 메모리군으로부터 각 출력신호를 동시에 공급받아 가산하여 집속신호를 출력하는 제 2 가산기를 구비하고 있는 가산수단; 및 상기 제 1 가산기 및 제 2 가산기로 부터 각 집속신호를 공급받아 포락선을 검출하는 포락선검출수단을 포함하는 초음파신호의 디지탈집속장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 위상변환신호는 상기 소정 갯수의 전기적초음파신호를 90°위상변환한 신호인 것을 특징으로 하는 초음파신호의 디지탈집속장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 메모리군 및 제 2 메모리군은 입력신호를 공급받는 순서대로 출력단으로 출력하는 선입선출메모리로 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파신호의 디지탈집속장치.
  4. 대상체의 소정 반사위치에서 반사되는 초음파신호를 수신하고, 이 수신된 초음파신호를 전기적신호로 변환하는 다수의 변환소자를 구비한 초음파검사시스템에서, 상기 다수의 변환소자에서 각각 출력되는 전기적초음파신호를 집속하기 위한 방법에 있어서, 상기 전기적초음파신호를 사전 설정된 위상값으로 각각 변환하는 단계; 상기 전기적초음파신호를 소정의 클럭주파수에 의해 디지탈형태로 각각 변환하는 단계; 상기 위상변환신호를 상기 클럭주파수에 대해 디지탈형태로 각각 변환하는 단계; 상기 디지탈형태의 전기적초음파신호를 저장하는 단계; 상기 디지탈형태의 위상변환신호를 저장하는 단계; 상기 저장된 디지탈형태의 전기적초음파신호를 동시에 읽어들여 모두 더하는 제 1 가산단계; 상기 저장된 디지탈형태의 위상변환신호를 동시에 읽어들여 모두 더하는 제 2 가산단계; 및 상기 제 1 및 제 2 가산단계에 의해 가산된 신호들로 부터 포락선을 검출하는 단계를 포함하는 초음파신호의 디지탈집속방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 사전 설정된 위상값은 90°인 것을 특징으로 하는 초음파신호의 디지탈집속방법.
  6. 대상체의 소정 반사위치에서 반사되는 초음파신호를 수신하고, 이 수신된 초음파신호를 전기적신호로 변환하는 다수의 변환소자를 구비한 초음파검사시스템에서, 상기 다수의 변환소자에서 각각 출력되는 전기적초음파신호를 집속하기 위한 장치에 있어서, 상기 전기적초음파신호 및 제 1 기준신호를 인가받아 곱해서 동위상신호를 출력하는 제 1 곱셈기군과, 상기 전기적초음파신호 및 제 2 기준신호를 인가받아 곱해서 수직위상신호를 출력하는 제 2 곱셈기군을 구비하고 있는 곱셈수단; 상기 제 1 곱셈기군으로 부터 상기 동위상신호를 인가받아 저주파성분만 필터링하는 제 1 저역통과필터군과, 상기 제 2 곱셈기군으로 부터 상기 수직위상신호를 인가받아 저주파성분만 필터링하는 제 2 저역통과필터군을 구비하고 있는 필터링수단; 소정의 샘플링주파수를 갖는 샘플링클럭을 발생하여 A/D변환수단으로 출력하는 클럭발생수단; 상기 제 1 저역통과필터군의 출력을 인가받아 상기 샘플링주파수에 따라 디지탈신호로 변환하는 제 1 A/D변환기군과, 상기 제 2 저역통과필터군의 출력을 인가받아 상기 샘플링주파수에 따라 디지탈신호로 변환하는 제 2 A/D변환기군을 구비하고 있는 A/D변환수단; 상기 제 1 A/D변환기군으로 부터 출력되는 소정 갯수의 디지탈신호를 저장하여 동시에 출력하는 제 1 메모리군과, 상기 제 2 A/D변환기군으로 부터 출력되는 소정 갯수의 디지탈신호를 저장하여 동시에 출력하는 제 2 메모리군을 구비하고 있는 저장수단; 상기 저장수단의 출력신호를 각각 인가받아 위상에러를 보상하는 위상보정수단; 상기 위상보정된 동위상신호를 각각 인가받아 가산하여 집속신호를 출력하는 제 1 가산기와, 상기 위상보정된 수직위상신호를 각각 인가받아 가산하여 집속신호를 출력하는 제 2 가산기를 구비하고 있는 가산수단; 및 상기 가산수단으로 부터 각 집속신호를 공급받아 포락선을 검출하는 포락선검출수단을 포함하는 초음파신호의 디지탈집속장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 기준신호 및 제 2 기준신호는 90°위상차를 갖는 것을 특징으로 하는 초음파신호의 디지탈집속장치.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 메모리군 및 제 2 메모리군은 입력신호를 공급받는 순서대로 출력단으로 출력하는 선입선출메모리로 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파신호의 디지탈집속장치.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 위상보정수단은 상기 제 1 메모리군의 출력신호 및 제 3 기준신호를 인가받아 곱하여 제 1 연산기군으로 각각 출력하는 제 3 곱셈기군과; 상기 제 1 메모리군의 출력신호 및 제 4 기준신호를 인가받아 곱하여 제 2 연산기군으로 각각 출력하는 제 4 곱셈기군과; 상기 제 2 메모리군의 출력신호 및 제 4 기준신호를 인가받아 곱하여 제 1 연산기군으로 각각 출력하는 제 5 곱셈기군과; 상기 제 2 메모리군의 출력신호 및 제 3 기준신호를 인가받아 곱하여 제 2 연산기군으로 각각 출력하는 제 6 곱셈기군과; 상기 제 3 곱셈기군의 출력신호로 부터 상기 제 5 곱셈기군의 출력신호를 감산하여 위상보정된 동위상신호를 출력하는 제 1 연산기군; 및 상기 제 4 곱셈기군 및 제 6 곱셈기군의 출력신호를 인가받아 가산하여 위상보정된 수직위상신호를 출력하는 제 2 연산기군을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파신호의 디지탈집속장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제 3 기준신호 및 제 4 기준신호는 위상에러성분의 주파수를 포함하며, 서로 90°위상차를 갖는 것을 특징으로 하는 초음파신호의 디지탈집속장치.
  11. 대상체의 소정 반사위치에서 반사되는 초음파신호를 수신하고, 이 수신된 초음파신호를 전기적신호로 변환하는 다수의 변환소자를 구비한 초음파검사시스템에서, 상기 다수의 변환소자에서 각각 출력되는 전기적초음파신호를 집속하기 위한 방법에 있어서, 상기 전기적초음과신호에 제 1 기준신호를 곱하는 단계; 상기 전기적초음파신호에 제 2 기준신호를 곱하는 단계; 상기 제 1 기준신호와 곱해진 전기적초음파신호에서 고주파성분을 제거하는 제 1 필터링단계; 상기 제 2 기준신호와 곱해진 전기적초음파신호에 고주파성분을 제거하는 제 2 필터링단계; 상기 제 1 필터링한 신호를 소정의 샘플링주파수에 의해 디지탈형태로 변환하는 단계; 상기 제 2 필터링한 신호를 소정의 샘플링주파수에 의해 디지탈형태로 변환하는 단계; 상기 디지탈형태의 제 1 필터링신호를 저장하는 단계; 상기 디지탈형태의 제 2 필터링신호를 저장하는 단계; 상기 디지탈형태의 제 1 필티링신호 및 제 2 필터링신호를 위상보정하는 단계; 상기 위상보정된 디지탈형태의 제 1 필터링신호를 동시에 읽어들여서 모두 더하는 제 1 가산단계; 상기 위상보정된 디지탈형태의 제 2 필터링신호를 동시에 읽어들여서 모두 더하는 제 2 가산단계; 상기 제 1 및 제 2 가산단계에 의해 가산된 신호들로 부터 포락선을 검출하는 단계를 포함하는 초음파신호의 디지탈집속방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제 1 기준신호 및 제 2 기준신호는 90°위상차를 갖는 것을 특징으로 하는 초음파신호의 디지탈집속방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 위상보정단계는 상기 저장된 디지탈형태의 제 1 필터링신호와 제 3기준신호를 곱하는 제 1 연산단계와; 상기 저장된 디지탈형태의 제 1 필터링신호와 제 4 기준신호를 곱하는 제 2 연산단계와; 상기 저장된 디지탈형태의 제 2 필터링신호와 상기 제 4 기준신호를 곱하는 제 3 연산단계와; 상기 저장된 형태의 제 2 필터링신호와 상기 제 3 기준신호를 곱하는 제 4 연산단계와; 상기 제 1 연산한 신호에서 상기 제 3 연산한 신호를 감산하는 제 4 연산단계; 및 상기 제 2 연산한 신호와 상기 제 4 연산한 신호를 가산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파신호인 디지탈집속방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 제 3 기준신호 및 제 4 기준신호는 위상에러성분의 주파수를 포함하며, 서로 90°위상차를 갖는 것을 특징으로 하는 초음파신호의 디지탈집속방법.
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