WO2016204451A1 - Method and apparatus for beamforming - Google Patents

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WO2016204451A1
WO2016204451A1 PCT/KR2016/006148 KR2016006148W WO2016204451A1 WO 2016204451 A1 WO2016204451 A1 WO 2016204451A1 KR 2016006148 W KR2016006148 W KR 2016006148W WO 2016204451 A1 WO2016204451 A1 WO 2016204451A1
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WO
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matrix
obtaining
beamforming
subarray
subarray data
Prior art date
Application number
PCT/KR2016/006148
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French (fr)
Korean (ko)
Inventor
박종인
이진수
위석민
Original Assignee
포항공과대학교 산학협력단
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/89Sonar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging

Definitions

  • the present invention relates to a beamforming method and apparatus, and more particularly, to a minimum variance beamforming method having a low level of computational complexity and a beamforming apparatus using the same.
  • Beamforming is one of the essential elements in the field of ultrasonic imaging.
  • DAS delay-and-sum beamforming
  • predetermined apodization weights are applied to the obtained array data, and a beamforming output is generated by combining the array data and the apodization weight into one.
  • Time-delay beamforming is robust in a simple and general environment, making it well suited for real-time ultrasound imaging.
  • time delay beamforming has relatively low resolution and lack of side lobe suppression.
  • VMB minimum variance beamforming
  • Minimal distributed beamforming is a method of finding an optimized apodization weighting that minimizes the beamforming output average power while the signal coming from the user's direction is kept constant. According to the minimum distributed beamforming, an interference signal coming from a direction other than the user wants to view is suppressed and cancellation of the signal coming from the direction to be viewed is prevented, so that a high level of resolution and contrast can be achieved.
  • minimally distributed beamforming is not currently widely used. The reason is that a high level of computation is required for minimum distributed beamforming. While time-delayed beamforming has a low level of computational complexity that is proportional to the array size, minimally distributed beamforming yields a subarray size (usually one of the size of the array). / 3 or 1/4) has a high level of computational complexity proportional to three squares. This computational complexity is due to the fact that, in minimum distributed beamforming implementations, a covariance matrix and its inverse matrix must be computed from the array data. Therefore, minimum distributed beamforming is not widely used in real equipment because of the high level of computational complexity.
  • An object of the present invention for solving the above problems is to provide a minimum variance beamforming method having a low level of computational complexity and a beamforming apparatus using the same.
  • the beamforming method in the beamforming method performed in the beamforming apparatus, the beamforming method, the array data, the first sub-array data defined in the array data Establishing a matrix and a first steering matrix; Obtaining a transformation matrix for converting a covariance matrix into a constant multiple of an identity matrix based on the first subarray data matrix; Obtaining an apodization weight using the transformation matrix; Obtaining an average of a second subarray data matrix using the first subarray data matrix and the transformation matrix; And performing beamforming based on the average of the second subarray data matrix and the apodization weighting.
  • the transformation matrix may be obtained through an orthogonalization algorithm of the first subarray data matrix.
  • the orthogonalization algorithm may be QR decomposition expressed as a product of an orthogonal matrix and an upper triangular matrix.
  • the acquiring of the transformation matrix may include a method of obtaining the upper triangular matrix with respect to the first subarray data matrix having a form of a Toeplitz matrix.
  • the acquiring weight using the transform matrix may include obtaining a second steering matrix by applying a forward substitution algorithm to the upper triangular matrix and the first steering matrix. ; And acquiring the apodization weighting using the second steering matrix.
  • the obtaining of the average of the second subarray data matrix may include: obtaining an average of column vectors in the first subarray data matrix; And calculating an average of the second subarray data matrix using a forward substitution algorithm based on the mean of the column vectors and the transformation matrix.
  • a beamforming apparatus apparatus includes: a processor that performs an operation related to performing beamforming; And a memory in which at least one instruction executed by the processor is stored, wherein the at least one instruction comprises: setting array data, a first subarray data matrix and a first steering matrix defined within the array data; Obtaining a transformation matrix for converting a covariance matrix to a constant multiple of an identity matrix based on the first subarray data matrix, obtaining an apodization weight using the transformation matrix, Obtaining an average of a second subarray data matrix using a subarray data matrix and the transformation matrix, and performing beamforming based on the average of the second subarray data matrix and the apodization weighting It is executable to
  • the transformation matrix may be obtained through an orthogonalization algorithm of the first subarray data matrix.
  • the orthogonalization algorithm may be QR decomposition expressed as a product of an orthogonal matrix and an upper triangular matrix.
  • the acquiring of the transformation matrix may include a method of obtaining the upper triangular matrix with respect to the first subarray data matrix having a form of a Toeplitz matrix.
  • the acquiring weight using the transform matrix may include obtaining a second steering matrix by applying a forward substitution algorithm to the upper triangular matrix and the first steering matrix. ; And acquiring the apodization weighting using the second steering matrix.
  • the obtaining of the average of the second subarray data matrix may include: obtaining an average of column vectors in the first subarray data matrix; And calculating an average of the second subarray data matrix using a forward substitution algorithm based on the mean of the column vectors and the transformation matrix.
  • minimum distributed beamforming can be achieved through a low level of computational complexity. In addition, it can exhibit the same performance as the existing minimum distributed beamforming.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a beamforming apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a beamforming method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is an exemplary view showing arrangement data according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an exemplary view showing arrangement data according to an embodiment of the present invention.
  • first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.
  • the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a beamforming apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the beamforming apparatus 100 may include a processor 110 that performs operations related to beamforming, and a memory 120 in which at least one instruction executed by the processor is stored. Include.
  • the beamforming apparatus 100 may further include a network interface device 130 connected to a network to perform communication.
  • the beamforming apparatus 100 may further include an input interface device 140, an output interface device 150, a storage device 160, and the like. Each component included in the beamforming apparatus 100 may be connected by a bus 170 to communicate with each other.
  • the processor 110 may execute a program command stored in the memory 120 and / or the storage device 160.
  • the processor 110 may mean a central processing unit (CPU), a graphics processing unit (GPU), or a dedicated processor on which methods according to the present invention are performed.
  • the memory 120 and the storage device 160 may be configured of a volatile storage medium and / or a nonvolatile storage medium.
  • the memory 120 may be configured as read only memory (ROM) and / or random access memory (RAM).
  • the at least one instruction includes setting array data, a first subarray data matrix and a first steering matrix defined within the array data; Obtaining a transformation matrix for converting a covariance matrix into a constant multiple of an identity matrix based on the first subarray data matrix; Obtaining an apodization weight using the transformation matrix; Obtaining an average of a second subarray data matrix using the first subarray data matrix and the transformation matrix; And beamforming based on the average of the second subarray data matrix and the apodization weighting.
  • the beamforming output for one point n of one scanline can be expressed as follows.
  • w m [n] is apodization weighting
  • x m [n] is array data obtained for each array.
  • [Delta] m [n] is a time-delay for focusing during beamforming.
  • Equation 1 may be expressed in the form of a matrix as follows.
  • * represents a complex conjugate
  • H is a Hermitian operator of the matrix.
  • a term indicating a time delay may be omitted for convenience in formula expansion.
  • minimally distributed beamforming is a method of finding optimized apodization weighting that minimizes beamforming output average power while maintaining a constant signal coming from a user's desired direction. That is, minimum distributed beamforming may be considered a limited optimization problem, which may be described mathematically as follows.
  • E [] is an expectation operator
  • R [n] E [x [n] x [n] H ]
  • a represents a steering matrix.
  • T time delay
  • Equation 3 The solution of the optimization problem described in Equation 3 can be obtained by the Lagrange multipliers method as follows.
  • L is the subarray vector size.
  • the beamforming output is as shown in Equation 4 and Equation 5 below.
  • a diagonal loading method can be applied to obtain a more robust spatial covariance matrix. This is to normalize the optimized apodization weightings by adding a constant doubling identity matrix to the original spatial covariance matrix.
  • the beamforming output is obtained only when the spatial covariance matrix and its inverse matrix are obtained. Both calculations require a high level of computational complexity, which is proportional to the cube of the array size. More precisely, it is proportional to the cube of the subarray size (L).
  • an embodiment of the present invention discloses a method of converting a spatial covariance matrix into a constant multiple of an identity matrix by applying a specific transformation to array data.
  • the spatial co-injection matrix is converted to a constant multiple of the identity matrix, its inverse is also converted to a constant multiple of the identity matrix, so that the apodization weight can be simply calculated without performing an inverse matrix operation as shown in Equation (5).
  • transformation can be implemented as follows by multiplying an array data transformation matrix.
  • z l [n] is the transformed l-th subarray data vector.
  • the clause matrix and the spatial covariance matrix can also be transformed as follows.
  • the optimization problem of the lowest distributed beamforming may be expressed as follows in the transformed region.
  • the beamforming output is as follows.
  • the apodization weighting can be easily computed as
  • the apodization weighting can be simply calculated using only a z [n].
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating a beamforming method according to an embodiment of the present invention.
  • the beamforming apparatus 100 may set array data necessary for performing beamforming, a first subarray data matrix defined in the array data, and a first steering matrix (S210).
  • the array size is M and the subarray size is L.
  • u k [n] [x M -L + K [n] x M -L + K-1 [n].
  • x k [n]] T 0, 1,... , L-1.
  • the subarray data matrix before conversion is referred to as a first subarray data matrix
  • the subarray data matrix transformed by the conversion matrix is referred to as a second subarray data matrix.
  • the steering matrix before transformation is called a 1st steering matrix
  • the steering matrix converted by the transformation matrix is called a 2nd steering matrix.
  • the beamforming apparatus 100 may obtain a transformation matrix for converting the covariance matrix into a constant multiple of the identity matrix based on the first subarray data matrix (S220).
  • the spatial covariance matrix Prior to obtaining the transformation matrix, the spatial covariance matrix first The structural characteristics of the system should be investigated in detail. for teeth Can be expressed in the extended form as follows.
  • brackets may be expressed as the sum of the products of matrix data.
  • the following subarray data vector can be defined.
  • 3 and 4 are exemplary views showing arrangement data according to an embodiment of the present invention.
  • the subarray data vector u k [n] is distinguished from the subarray data vector x l [n]. Detailed description thereof will be described later.
  • the diagonal components of can all be expressed as the inner product of themselves with the vectors of u k [n]. Components other than the diagonal of can be represented internally of different vectors of u k [n].
  • a transformation matrix can be obtained by finding a set of orthogonal basis of the space represented by Can be converted to a constant multiple of the identity matrix.
  • an orthogonal basis set that satisfies the property of equation (16). Once this is saved, Can be converted to a constant multiple of the identity matrix.
  • Q is an m ⁇ n orthogonal matrix
  • R is n ⁇ n an upper triangular matrix
  • Q represents the orthogonal basis of the range of A.
  • first A first subarray data matrix U [n] having a size of (M ⁇ L + 1) ⁇ L may be generated as follows.
  • the transformation matrix may be obtained through an orthogonalization algorithm of the subarray data matrix. That is, the QR decomposition of U [n] is given by
  • S [n] is the L ⁇ L phase triangular matrix
  • Q [n] is An orthogonal matrix of size (M-L + 1) ⁇ L consisting of the orthogonal basis of can be expressed as
  • the upper triangular matrix is denoted as S [n] to avoid confusion with the spatial covariance matrix R [n].
  • the transpose matrix of U [n] can be expressed as follows.
  • S T [n] is a lower triangular matrix whose diagonal component is not 0, it necessarily has an inverse matrix.
  • S- T [n] can be regarded as a transformation matrix T [n].
  • the transformation matrix T [n] can be obtained simply through the QR decomposition process of U [n].
  • Subarray data vector transformed from It can also be defined from orthogonal matrix Q.
  • the beamforming apparatus 100 may obtain the apodization weighting using the transformation matrix (S230).
  • obtaining the apodization weighting using the transform matrix may include obtaining a second steering matrix by applying a forward substitution algorithm to the upper triangular matrix and the first steering matrix (S231); And obtaining the apodization weighting using the second steering matrix (S232).
  • the beamforming apparatus 100 may obtain the apodization weighting when the second steering vector a z [n] is obtained. As described in Equation 8, a z [n] is easily obtained by multiplying a by a transformation matrix.
  • the feature of S T [n] may be used for a solution for a z [n] that does not include operations on inverse matrices.
  • a z [n] Based on the property that S T [n] is a lower triangular matrix, a z [n] can be easily obtained with a low level of computational complexity by the following equation according to the forward substitution method.
  • the apodization weighting may be obtained as shown below by Equation 12 based on the obtained az [n].
  • the beamforming apparatus 100 may obtain an average of the second subarray data matrix using the first subarray data matrix and the transformation matrix (S240).
  • an average z mean [n] of the second subarray data matrix may be obtained by obtaining an average of thermal components of Q T [n].
  • the beamforming output may be calculated as follows.
  • the apodization weighting and the average of the second subarray data matrix are obtained through the orthogonal matrix and the upper triangular matrix computed through QR decomposition of U [n], thereby obtaining a beamforming output simply.
  • QR decomposition requires a significant amount of computational complexity.
  • the method according to the embodiment of the present invention shows a low level of computational complexity compared to the conventional method, but still shows a computational complexity proportional to the cube of the size of the subarray.
  • an element for reducing the computational complexity may be applied.
  • the beamforming output can be stroked without using the orthogonal matrix Q [n] as shown in the following equation.
  • x mean [n] may be obtained by a solution for calculating an average of the column vectors of U T [n] (S241).
  • the average of the second subarray data matrix may be obtained from the equations 26 and 27 using the average of the column vectors and the transformation matrix (S242).
  • QR decomposition may be performed at a computation level of 13 mm + O (n 2 ) for m ⁇ n (m ⁇ n) matrices.
  • the beamforming apparatus 100 may perform beamforming based on the average and apodization weights of the second subarray data matrix (S250).
  • Equation 26 the beamforming output in Equation 26 is as follows.
  • the beamforming output may be obtained through only an upper triangular matrix without an orthogonal matrix. That is, when only the upper triangular matrix is included in the beamforming output acquisition according to the embodiment of the present invention, the computational complexity of mn + O (n 2 ) level, that is, (M-L + 1) L + O (L 2 ) The beamforming output can be obtained with a level of computational complexity.
  • This computational complexity is a level proportional to the square of the size of the subarray (O (L 2 )), which is significant compared to the square of the size of the subarray of the existing least distributed beamforming (O (L 3 )). It is a computational complexity that has been reduced to a level
  • Table 1 compares the computational complexity of the existing method and the method according to an embodiment of the present invention in detail. Computational complexity was quantified by floating-point operations.
  • the methods according to the invention can be implemented in the form of program instructions that can be executed by various computer means and recorded on a computer readable medium.
  • Computer-readable media may include, alone or in combination with the program instructions, data files, data structures, and the like.
  • the program instructions recorded on the computer readable medium may be those specially designed and constructed for the present invention, or may be known and available to those skilled in computer software.
  • Examples of computer readable media include hardware devices that are specifically configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like.
  • Examples of program instructions include machine language code, such as produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like.
  • the hardware device described above may be configured to operate with at least one software module to perform the operations of the present invention, and vice versa.

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Abstract

Disclosed are a beamforming apparatus and a beamforming method. The beamforming method comprises the steps of: setting an array data, a first subarray data matrix, and a first steering matrix; obtaining a conversion matrix for converting, on the basis of the first subarray data matrix, a covariance matrix to a constant multiple of an identity matrix; obtaining an apodization weight by using the conversion matrix; obtaining the average of a second subarray data matrix by using the first subarray data matrix and the conversion matrix; and performing a beamforming. Accordingly, a minimum variance beamforming can be performed with a low level of computational complexity.

Description

빔포밍 방법 및 장치Beamforming method and apparatus
본 발명은 빔포밍 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 낮은 수준의 계산 복잡도를 갖는 최소 분산 빔포밍(minimum variance beamforming) 방법 및 이를 이용하는 빔포밍 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a beamforming method and apparatus, and more particularly, to a minimum variance beamforming method having a low level of computational complexity and a beamforming apparatus using the same.
빔포밍(beamforming)은 초음파 영상 분야에서 필수적인 요소 중 하나이다. 일반적으로 시간지연 빔포밍(delay-and-sum beamforming, DAS)이 널리 사용되고 있다. 시간지연 빔포밍에 의하면 미리 정해진 아포디제이션 가중(apodization weights)이 얻어진 배열 데이터에 적용되고, 배열 데이터와 아포디제이션 가중을 하나로 합치는 과정을 통해 빔포밍 출력이 생성된다. 시간지연 빔포밍은 간단하고 일반적인 환경에서도 강인(robust)한 성질을 가지고 있어, 실시간 초음파 영상분야에 잘 어울릴 수 있다. 그러나, 시간지연 빔포밍은 상대적으로 낮은 해상도(resolution) 및 부족한 측엽 억제(side lobe suppression) 특징을 가지고 있다.Beamforming is one of the essential elements in the field of ultrasonic imaging. Generally, delay-and-sum beamforming (DAS) is widely used. According to the time delay beamforming, predetermined apodization weights are applied to the obtained array data, and a beamforming output is generated by combining the array data and the apodization weight into one. Time-delay beamforming is robust in a simple and general environment, making it well suited for real-time ultrasound imaging. However, time delay beamforming has relatively low resolution and lack of side lobe suppression.
이러한 시간지연 빔포밍의 단점을 극복하기 위해, 얻어진 데이터에 종속된(data-dependent) 아포디제이션 가중을 이용하는 적응 빔포밍(adaptive beamforming)이 연구되었다. 대표적인 방법 중 하나가 바로 최소 분산 빔포밍(minimum variance beamforming, MVB)이다. 최소 분산 빔포밍은 사용자가 보고자 하는 방향으로부터 오는 신호는 일정하게 유지된 상태에서, 빔포밍 출력 평균 파워를 최소화 하는 최적화된 아포디제이션 가중을 찾는 방식이다. 최소 분산 빔포밍에 따르면, 사용자가 보고자 하는 방향 이외에서 오는 간섭 신호는 억제되고 보고자 하는 방향으로 오는 신호의 상쇄는 방지됨으로써, 높은 수준의 해상도 및 대비(contrast)가 달성될 수 있다.In order to overcome this drawback of time delay beamforming, adaptive beamforming using data-dependent apodization weighting has been studied. One representative method is minimum variance beamforming (MVB). Minimal distributed beamforming is a method of finding an optimized apodization weighting that minimizes the beamforming output average power while the signal coming from the user's direction is kept constant. According to the minimum distributed beamforming, an interference signal coming from a direction other than the user wants to view is suppressed and cancellation of the signal coming from the direction to be viewed is prevented, so that a high level of resolution and contrast can be achieved.
고성능의 결과를 도출함에도 불구하고 현재 최소 분산 빔포밍은 널리 이용되지 않고 있다. 그 이유는 최소 분산 빔포밍에 높은 수준의 계산 과정이 요구되기 때문이다. 시간지연 빔포밍이 배열의 크기(array size)에 비례하는 낮은 수준의 계산 복잡도(computational complexity)를 가지고 있는 반면에, 최소 분산 빔포밍은 부배열의 크기(subarray size, 일반적으로 배열의 크기의 1/3 또는 1/4)의 세 제곱에 비례하는 높은 수준의 계산 복잡도를 가지고 있다. 이러한 계산 복잡도는, 최소 분산 빔포밍 구현 시, 배열 데이터로부터 공분산 행렬(covariance matrix) 및 그것의 역행렬이 연산되어야 하는 데에서 기인한다. 따라서, 최소 분산 빔포밍은 높은 수준의 계산 복잡도 때문에 실제 기기에 많이 사용되지 못하고 있다.Despite yielding high performance, minimally distributed beamforming is not currently widely used. The reason is that a high level of computation is required for minimum distributed beamforming. While time-delayed beamforming has a low level of computational complexity that is proportional to the array size, minimally distributed beamforming yields a subarray size (usually one of the size of the array). / 3 or 1/4) has a high level of computational complexity proportional to three squares. This computational complexity is due to the fact that, in minimum distributed beamforming implementations, a covariance matrix and its inverse matrix must be computed from the array data. Therefore, minimum distributed beamforming is not widely used in real equipment because of the high level of computational complexity.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 낮은 수준의 계산 복잡도를 갖는 최소 분산 빔포밍(minimum variance beamforming) 방법 및 이를 이용하는 빔포밍 장치를 제공하는 데 있다.An object of the present invention for solving the above problems is to provide a minimum variance beamforming method having a low level of computational complexity and a beamforming apparatus using the same.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 빔포밍(beamforming) 장치에서 수행되는 빔포밍 방법에 있어서, 빔포밍 방법은, 배열 데이터, 상기 배열 데이터 내에서 정의되는 제1 부배열 데이터 행렬 및 제1 조향 행렬을 설정하는 단계; 상기 제1 부배열 데이터 행렬에 기초하여 공분산 행렬을 항등 행렬의 상수배로 변환하는 변환 행렬을 획득하는 단계; 상기 변환 행렬을 이용하여 아포디제이션 가중(apodization weight)을 획득하는 단계; 상기 제1 부배열 데이터 행렬 및 상기 변환 행렬을 이용하여 제2 부배열 데이터(subarray data) 행렬의 평균을 획득하는 단계; 및 상기 제2 부배열 데이터 행렬의 평균 및 상기 아포디제이션 가중을 기초로 빔포밍을 수행하는 단계를 포함한다.According to an embodiment of the present invention for achieving the above object, in the beamforming method performed in the beamforming apparatus, the beamforming method, the array data, the first sub-array data defined in the array data Establishing a matrix and a first steering matrix; Obtaining a transformation matrix for converting a covariance matrix into a constant multiple of an identity matrix based on the first subarray data matrix; Obtaining an apodization weight using the transformation matrix; Obtaining an average of a second subarray data matrix using the first subarray data matrix and the transformation matrix; And performing beamforming based on the average of the second subarray data matrix and the apodization weighting.
여기서, 상기 변환 행렬을 획득하는 단계는, 상기 제1 부배열 데이터 행렬의 직교화(orthogonalization) 알고리즘을 통해 상기 변환 행렬을 획득할 수 있다.In the obtaining of the transformation matrix, the transformation matrix may be obtained through an orthogonalization algorithm of the first subarray data matrix.
여기서, 상기 직교화 알고리즘은, 직교 행렬(orthogonal matrix)과 상삼각 행렬(upper triangular matrix)의 곱으로 표현되는 QR 분해(QR decomposition)일 수 있다.Here, the orthogonalization algorithm may be QR decomposition expressed as a product of an orthogonal matrix and an upper triangular matrix.
여기서, 상기 변환 행렬을 획득하는 단계는, 테플리츠 행렬(toeplitz matrix) 형태를 갖는 상기 제1 부배열 데이터 행렬에 관한 상기 상삼각 행렬을 구하는 방법을 포함할 수 있다.The acquiring of the transformation matrix may include a method of obtaining the upper triangular matrix with respect to the first subarray data matrix having a form of a Toeplitz matrix.
여기서, 상기 변환 행렬을 이용하여 아포디제이션 가중을 획득하는 단계는, 상기 상삼각 행렬 및 상기 제1 조향 행렬에 전진대입(forward substitution) 알고리즘(algorithm)을 적용함으로써 제2 조향 행렬을 획득하는 단계; 및 상기 제2 조향 행렬을 이용하여 상기 아포디제이션 가중을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.The acquiring weight using the transform matrix may include obtaining a second steering matrix by applying a forward substitution algorithm to the upper triangular matrix and the first steering matrix. ; And acquiring the apodization weighting using the second steering matrix.
여기서, 상기 제2 부배열 데이터 행렬의 평균을 획득하는 단계는, 상기 제1 부배열 데이터 행렬에서 열벡터의 평균을 획득하는 단계; 및 상기 열벡터의 평균과 상기 변환 행렬을 기초로 전진대입(forward substitution) 알고리즘(algorithm)을 이용하여 제2 부배열 데이터 행렬의 평균을 연산하는 단계를 포함할 수 있다.The obtaining of the average of the second subarray data matrix may include: obtaining an average of column vectors in the first subarray data matrix; And calculating an average of the second subarray data matrix using a forward substitution algorithm based on the mean of the column vectors and the transformation matrix.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 빔포밍 장치 장치는, 상기 빔포밍 수행에 관한 연산을 수행하는 프로세서; 및 상기 프로세서를 통해 실행되는 적어도 하나의 명령이 저장된 메모리를 포함하고, 상기 적어도 하나의 명령은, 배열 데이터, 상기 배열 데이터 내에서 정의되는 제1 부배열 데이터 행렬 및 제1 조향 행렬을 설정하는 단계, 상기 제1 부배열 데이터 행렬에 기초하여 공분산 행렬을 항등 행렬의 상수배로 변환하는 변환 행렬을 획득하는 단계, 상기 변환 행렬을 이용하여 아포디제이션 가중(apodization weight)을 획득하는 단계, 상기 제1 부배열 데이터 행렬 및 상기 변환 행렬을 이용하여 제2 부배열 데이터(subarray data) 행렬의 평균을 획득하는 단계 및 상기 제2 부배열 데이터 행렬의 평균 및 상기 아포디제이션 가중을 기초로 빔포밍을 수행하도록 실행 가능하다.According to one embodiment of the present invention, a beamforming apparatus apparatus includes: a processor that performs an operation related to performing beamforming; And a memory in which at least one instruction executed by the processor is stored, wherein the at least one instruction comprises: setting array data, a first subarray data matrix and a first steering matrix defined within the array data; Obtaining a transformation matrix for converting a covariance matrix to a constant multiple of an identity matrix based on the first subarray data matrix, obtaining an apodization weight using the transformation matrix, Obtaining an average of a second subarray data matrix using a subarray data matrix and the transformation matrix, and performing beamforming based on the average of the second subarray data matrix and the apodization weighting It is executable to
여기서, 상기 변환 행렬을 획득하는 단계는, 상기 제1 부배열 데이터 행렬의 직교화(orthogonalization) 알고리즘을 통해 상기 변환 행렬을 획득할 수 있다.In the obtaining of the transformation matrix, the transformation matrix may be obtained through an orthogonalization algorithm of the first subarray data matrix.
여기서, 상기 직교화 알고리즘은, 직교 행렬(orthogonal matrix)과 상삼각 행렬(upper triangular matrix)의 곱으로 표현되는 QR 분해(QR decomposition)일 수 있다Here, the orthogonalization algorithm may be QR decomposition expressed as a product of an orthogonal matrix and an upper triangular matrix.
여기서, 상기 변환 행렬을 획득하는 단계는, 테플리츠 행렬(toeplitz matrix) 형태를 갖는 상기 제1 부배열 데이터 행렬에 관한 상기 상삼각 행렬을 구하는 방법을 포함할 수 있다.The acquiring of the transformation matrix may include a method of obtaining the upper triangular matrix with respect to the first subarray data matrix having a form of a Toeplitz matrix.
여기서, 상기 변환 행렬을 이용하여 아포디제이션 가중을 획득하는 단계는, 상기 상삼각 행렬 및 상기 제1 조향 행렬에 전진대입(forward substitution) 알고리즘(algorithm)을 적용함으로써 제2 조향 행렬을 획득하는 단계; 및 상기 제2 조향 행렬을 이용하여 상기 아포디제이션 가중을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.The acquiring weight using the transform matrix may include obtaining a second steering matrix by applying a forward substitution algorithm to the upper triangular matrix and the first steering matrix. ; And acquiring the apodization weighting using the second steering matrix.
여기서, 상기 제2 부배열 데이터 행렬의 평균을 획득하는 단계는, 상기 제1 부배열 데이터 행렬에서 열벡터의 평균을 획득하는 단계; 및 상기 열벡터의 평균과 상기 변환 행렬을 기초로 전진대입(forward substitution) 알고리즘(algorithm)을 이용하여 제2 부배열 데이터 행렬의 평균을 연산하는 단계를 포함할 수 있다.The obtaining of the average of the second subarray data matrix may include: obtaining an average of column vectors in the first subarray data matrix; And calculating an average of the second subarray data matrix using a forward substitution algorithm based on the mean of the column vectors and the transformation matrix.
본 발명에 의하면, 낮은 수준의 계산 복잡도를 통해 최소 분산 빔포밍을 할 수 있다. 또한, 기존의 최소 분산 빔포밍과 동일한 성능을 발휘할 수 있다.According to the present invention, minimum distributed beamforming can be achieved through a low level of computational complexity. In addition, it can exhibit the same performance as the existing minimum distributed beamforming.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.1 is a block diagram showing the configuration of a beamforming apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 방법을 나타낸 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating a beamforming method according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배열 데이터를 나타낸 예시도이다.3 is an exemplary view showing arrangement data according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배열 데이터를 나타낸 예시도이다.4 is an exemplary view showing arrangement data according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.As the present invention allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the written description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.Terms such as first and second may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component. The term and / or includes a combination of a plurality of related items or any item of a plurality of related items.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it may be directly connected to or connected to that other component, but it may be understood that other components may be present in between. Should be. On the other hand, when a component is said to be "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in between.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art and shall not be construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. Do not.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, it will be described in detail a preferred embodiment of the present invention. In the following description of the present invention, the same reference numerals are used for the same elements in the drawings and redundant descriptions of the same elements will be omitted.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.1 is a block diagram showing the configuration of a beamforming apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 장치(100)는 빔포밍 수행에 관한 연산을 수행하는 프로세서(110) 및 프로세서를 통해 실행되는 적어도 하나의 명령이 저장된 메모리(120)를 포함한다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 장치(100)는 네트워크와 연결되어 통신을 수행하는 네트워크 인터페이스 장치(130)를 더 포함할 수 있다. 또한, 빔포밍 장치(100)는 입력 인터페이스 장치(140), 출력 인터페이스 장치(150), 저장 장치(160) 등을 더 포함할 수 있다. 빔포밍 장치(100)에 포함된 각각의 구성 요소들은 버스(bus)(170)에 의해 연결되어 서로 통신을 수행할 수 있다.Referring to FIG. 1, the beamforming apparatus 100 according to an exemplary embodiment of the present invention may include a processor 110 that performs operations related to beamforming, and a memory 120 in which at least one instruction executed by the processor is stored. Include. In addition, the beamforming apparatus 100 according to the embodiment of the present invention may further include a network interface device 130 connected to a network to perform communication. In addition, the beamforming apparatus 100 may further include an input interface device 140, an output interface device 150, a storage device 160, and the like. Each component included in the beamforming apparatus 100 may be connected by a bus 170 to communicate with each other.
프로세서(110)는 메모리(120) 및/또는 저장 장치(160)에 저장된 프로그램 명령(program command)을 실행할 수 있다. 프로세서(110)는 중앙 처리 장치(central processing unit, CPU), 그래픽 처리 장치(graphics processing unit, GPU) 또는 본 발명에 따른 방법들이 수행되는 전용의 프로세서를 의미할 수 있다. 메모리(120)와 저장 장치(160)는 휘발성 저장 매체 및/또는 비휘발성 저장 매체로 구성될 수 있다. 예를 들어, 메모리(120)는 읽기 전용 메모리(read only memory, ROM) 및/또는 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM)로 구성될 수 있다.The processor 110 may execute a program command stored in the memory 120 and / or the storage device 160. The processor 110 may mean a central processing unit (CPU), a graphics processing unit (GPU), or a dedicated processor on which methods according to the present invention are performed. The memory 120 and the storage device 160 may be configured of a volatile storage medium and / or a nonvolatile storage medium. For example, the memory 120 may be configured as read only memory (ROM) and / or random access memory (RAM).
적어도 하나의 명령은, 배열 데이터, 상기 배열 데이터 내에서 정의되는 제1 부배열 데이터 행렬 및 제1 조향 행렬을 설정하는 단계; 상기 제1 부배열 데이터 행렬에 기초하여 공분산 행렬을 항등 행렬의 상수배로 변환하는 변환 행렬을 획득하는 단계; 상기 변환 행렬을 이용하여 아포디제이션 가중(apodization weight)을 획득하는 단계; 상기 제1 부배열 데이터 행렬 및 상기 변환 행렬을 이용하여 제2 부배열 데이터(subarray data) 행렬의 평균을 획득하는 단계; 및 상기 제2 부배열 데이터 행렬의 평균 및 상기 아포디제이션 가중을 기초로 빔포밍을 수행하도록 실행 가능하다.The at least one instruction includes setting array data, a first subarray data matrix and a first steering matrix defined within the array data; Obtaining a transformation matrix for converting a covariance matrix into a constant multiple of an identity matrix based on the first subarray data matrix; Obtaining an apodization weight using the transformation matrix; Obtaining an average of a second subarray data matrix using the first subarray data matrix and the transformation matrix; And beamforming based on the average of the second subarray data matrix and the apodization weighting.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 방법에 대해서 자세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a beamforming method according to an embodiment of the present invention will be described in detail.
M개의 채널을 가진 배열에 대해, 하나의 주사선(scanline)의 한 지점 n에 대한 빔포밍 출력은 다음과 같이 표현될 수 있다.For an array with M channels, the beamforming output for one point n of one scanline can be expressed as follows.
Figure PCTKR2016006148-appb-M000001
Figure PCTKR2016006148-appb-M000001
여기서, wm[n]은 아포디제이션 가중이고, xm[n]은 각 배열에 얻어진 배열 데이터이다. 그리고 △m[n]은 빔포밍시 초점 조정(focusing)을 위한 시간 지연(time-delay)이다.Here, w m [n] is apodization weighting, and x m [n] is array data obtained for each array. And [Delta] m [n] is a time-delay for focusing during beamforming.
보다 간단한 전개를 위해, 수학식 1은 다음과 같이 행렬의 형태로 표현될 수 있다.For simpler development, Equation 1 may be expressed in the form of a matrix as follows.
Figure PCTKR2016006148-appb-M000002
Figure PCTKR2016006148-appb-M000002
여기서,here,
Figure PCTKR2016006148-appb-I000001
Figure PCTKR2016006148-appb-I000001
또한, *은 켤레복소수(complex conjugate)를 나타내고, H는 행렬의 에르미르(hermitian) 연산자이다. 이후에 수식 전개 시 편의를 위해 시간 지연을 나타내는 항은 생략될 수 있다.In addition, * represents a complex conjugate, and H is a Hermitian operator of the matrix. Afterwards, a term indicating a time delay may be omitted for convenience in formula expansion.
시간지연 빔포밍과 달리 최소 분산 빔포밍은, 사용자의 보고자 하는 방향으로부터 오는 신호는 일정하게 유지한 상태에서, 빔포밍 출력 평균 파워를 최소화하는 최적화된 아포다이제이션 가중을 찾는 방식이다. 즉, 최소 분산 빔포밍은 제한된 최적화 문제로 간주될 수 있는데, 수학적으로 다음과 같이 기술될 수 있다.Unlike time-delayed beamforming, minimally distributed beamforming is a method of finding optimized apodization weighting that minimizes beamforming output average power while maintaining a constant signal coming from a user's desired direction. That is, minimum distributed beamforming may be considered a limited optimization problem, which may be described mathematically as follows.
Figure PCTKR2016006148-appb-M000003
Figure PCTKR2016006148-appb-M000003
여기서, E[]은 평균(expectation) 연산자이며, R[n]=E[x[n]x[n]H]은 공간적 공분산 행렬을 나타내며, a는 조향 행렬(steering matrix)을 나타낸다. 초음파 영상의 경우 미리 시간 지연이 되어 있는 것으로 가정한다. a는 [1 1 …1]T로 정의될 수 있다.Here, E [] is an expectation operator, R [n] = E [x [n] x [n] H ] represents a spatial covariance matrix, and a represents a steering matrix. In the case of an ultrasound image, it is assumed that there is a time delay. a is [1 1... 1] can be defined as T.
수학식 3에 서술된 최적화 문제의 해는 라그랑지안 승수(Lagrange multipliers) 방법에 의해 다음과 같이 획득될 수 있다.The solution of the optimization problem described in Equation 3 can be obtained by the Lagrange multipliers method as follows.
Figure PCTKR2016006148-appb-M000004
Figure PCTKR2016006148-appb-M000004
하지만, 실제로 R[n]의 정확한 값은 산출이 불가능 하기에, 추정(estimate)되어야 한다. 이를 위해 가장 널리 사용되는 방법은 부배열 평균화(subarray averaging)에 의한 R[n]의 추정인데, 다음과 같다.In practice, however, the exact value of R [n] cannot be calculated and must be estimated. The most widely used method for this is estimation of R [n] by subarray averaging.
Figure PCTKR2016006148-appb-M000005
Figure PCTKR2016006148-appb-M000005
여기서, xl[n]은 부배열 데이터 벡터(subarray data vector)로,Where x l [n] is a subarray data vector,
Figure PCTKR2016006148-appb-I000002
Figure PCTKR2016006148-appb-I000002
로 정의된다. L은 부배열 벡터 크기이다.Is defined as L is the subarray vector size.
결과적으로, 빔포밍 출력은 수학식 4와 수학식 5에 따라 다음 식과 같다.As a result, the beamforming output is as shown in Equation 4 and Equation 5 below.
Figure PCTKR2016006148-appb-M000006
Figure PCTKR2016006148-appb-M000006
또한, 보다 강인한 공간적 공분산 행렬을 얻기 위해, 대각 부하(diagonal loading) 방법이 적용될 수 있다. 이것은 바로 원래의 공간적 공분산 행렬에 상수배가 된 항등행렬을 더해줌으로써 최적화된 아포디제이션 가중을 정규화(regularization)하는 것이다.In addition, a diagonal loading method can be applied to obtain a more robust spatial covariance matrix. This is to normalize the optimized apodization weightings by adding a constant doubling identity matrix to the original spatial covariance matrix.
수학식 4와 수학식 5에 기술되어 있듯이, 기존의 최저 분산 빔포밍 방식에 의하면 공간적 공분산 행렬 및 그것의 역행렬이 구해져야 빔포밍 출력이 획득되었다. 이 두가지 계산 과정에서 높은 수준의 계산 복잡도가 요구되는데, 이는 배열 크기의 세제곱에 비례하는 수준이다. 좀 더 정확히 말하면, 부배열 크기(L)의 세제곱에 비례한다.As described in equations (4) and (5), according to the conventional lowest distributed beamforming method, the beamforming output is obtained only when the spatial covariance matrix and its inverse matrix are obtained. Both calculations require a high level of computational complexity, which is proportional to the cube of the array size. More precisely, it is proportional to the cube of the subarray size (L).
이를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 실시예에서는 배열 데이터에 특정한 변환을 적용해 공간적 공분산 행렬을 항등행렬의 상수배 형태로 변환하는 방법이 개시된다.In order to solve this problem, an embodiment of the present invention discloses a method of converting a spatial covariance matrix into a constant multiple of an identity matrix by applying a specific transformation to array data.
만약 공간적 공분사 행렬이 항등행렬의 상수배로 변환되면, 그것의 역행렬 또한 항등행렬의 상수배로 형태로 변환되므로, 수학식 5와 같이 역행렬 연산 없이, 간단히 아포디제이션 가중이 산출될 수 있다.If the spatial co-injection matrix is converted to a constant multiple of the identity matrix, its inverse is also converted to a constant multiple of the identity matrix, so that the apodization weight can be simply calculated without performing an inverse matrix operation as shown in Equation (5).
일반적으로 변환이라는 것은 배열 데이테 변환행렬(Transformation matrix)을 곱해줌으로써 다음과 같이 구현될 수 있다.In general, transformation can be implemented as follows by multiplying an array data transformation matrix.
Figure PCTKR2016006148-appb-M000007
Figure PCTKR2016006148-appb-M000007
여기서, zl[n]은 변환된 l번재 부배열 데이터 벡터이다. 조항 행렬 및 공간적 공분산 행렬도 다음과 같이 변환될 수 있다.Where z l [n] is the transformed l-th subarray data vector. The clause matrix and the spatial covariance matrix can also be transformed as follows.
Figure PCTKR2016006148-appb-M000008
Figure PCTKR2016006148-appb-M000008
결국, 최저 분산 빔포밍의 최적화 문제는 변환된 영역에서 다음과 같이 표현될 수 있다.As a result, the optimization problem of the lowest distributed beamforming may be expressed as follows in the transformed region.
Figure PCTKR2016006148-appb-M000009
Figure PCTKR2016006148-appb-M000009
앞서 최적화 해를 구하는 방식과 같이 구해보면,If you look at the optimization solution earlier,
Figure PCTKR2016006148-appb-M000010
Figure PCTKR2016006148-appb-M000010
따라서, 빔포밍 출력은 다음과 같다.Therefore, the beamforming output is as follows.
Figure PCTKR2016006148-appb-M000011
Figure PCTKR2016006148-appb-M000011
앞서 언급했듯이, 만약
Figure PCTKR2016006148-appb-I000003
을 항등행렬의 상수배로 변환하는 변환행렬이 존재한다면, 아포디제이션 가중은 다음과 같이 쉽게 연산될 수 있다.
As mentioned earlier, if
Figure PCTKR2016006148-appb-I000003
If there is a transform matrix that converts to a constant multiple of the identity matrix, the apodization weighting can be easily computed as
Figure PCTKR2016006148-appb-M000012
Figure PCTKR2016006148-appb-M000012
즉, az[n]만을 이용하여 아포디제이션 가중이 간단히 연산될 수 있다.That is, the apodization weighting can be simply calculated using only a z [n].
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 방법을 나타낸 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating a beamforming method according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 빔포밍 장치(100)는 빔포밍 수행을 위해 필요한 배열 데이터, 배열 데이터 내에서 정의되는 제1 부배열 데이터 행렬 및 제1 조향 행렬이 설정할 수 있다(S210).Referring to FIG. 2, the beamforming apparatus 100 may set array data necessary for performing beamforming, a first subarray data matrix defined in the array data, and a first steering matrix (S210).
각 주사선(scanline)의 한 지점 n 에 대해서, 배열크기는 M, 부배열 크기는 L이다. 배열 데이터는 xi[n], i=0,1,…,M-1, 부배열 데이터 행렬은 U[n]=[u0[n] u1[n] … uL-1[n]] 이다. 여기서, uk[n]=[xM -L+K[n] xM -L+K-1[n] … xk[n]]T, k=0, 1, …, L-1 이다. 조향 행렬은 a[n]=[1 1 … 1]T 이다.For one point n of each scanline, the array size is M and the subarray size is L. Array data is x i [n], i = 0, 1,... , M-1, subarray data matrix is U [n] = [u 0 [n] u 1 [n]. u L-1 [n]]. Where u k [n] = [x M -L + K [n] x M -L + K-1 [n]. x k [n]] T , k = 0, 1,... , L-1. The steering matrix is a [n] = [1 1... 1] T.
여기서, 변환 전의 부배열 데이터 행렬을 제1 부배열 데이터 행렬이라 칭하고, 변환 행렬에 의해 변환된 부배열 데이터 행렬을 제2 부배열 데이터 행렬로 칭하기로 한다. 또한, 조향 행렬에 대해서도, 변환 전의 조향 행렬을 제1 조향 행렬이라 칭하고, 변환 행렬에 의해 변환된 조향 행렬을 제2 조향 행렬로 칭하기로 한다.Here, the subarray data matrix before conversion is referred to as a first subarray data matrix, and the subarray data matrix transformed by the conversion matrix is referred to as a second subarray data matrix. In addition, also about a steering matrix, the steering matrix before transformation is called a 1st steering matrix, and the steering matrix converted by the transformation matrix is called a 2nd steering matrix.
다음으로, 빔포밍 장치(100)는 제1 부배열 데이터 행렬에 기초하여 공분산 행렬을 항등 행렬의 상수배로 변환하는 변환 행렬을 획득할 수 있다(S220).Next, the beamforming apparatus 100 may obtain a transformation matrix for converting the covariance matrix into a constant multiple of the identity matrix based on the first subarray data matrix (S220).
변환행렬 획득에 앞서, 우선 공간적 공분산 행렬
Figure PCTKR2016006148-appb-I000004
의 구조적 특징이 자세히 조사되어야 한다. 이를 위해
Figure PCTKR2016006148-appb-I000005
은 다음과 같이 확장된 형태로 표현될 수 있다.
Prior to obtaining the transformation matrix, the spatial covariance matrix first
Figure PCTKR2016006148-appb-I000004
The structural characteristics of the system should be investigated in detail. for teeth
Figure PCTKR2016006148-appb-I000005
Can be expressed in the extended form as follows.
Figure PCTKR2016006148-appb-M000013
Figure PCTKR2016006148-appb-M000013
Figure PCTKR2016006148-appb-I000006
의 성분은 행렬 데이터들의 곱들의 합으로 표현될 수 있다. 다음의 부배열 데이터 벡터가 정의될 수 있다.
bracket
Figure PCTKR2016006148-appb-I000006
The component of may be expressed as the sum of the products of matrix data. The following subarray data vector can be defined.
Figure PCTKR2016006148-appb-M000014
Figure PCTKR2016006148-appb-M000014
Figure PCTKR2016006148-appb-I000007
은 uk[n]에 의해 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2016006148-appb-I000007
Can be expressed by u k [n] as follows.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배열 데이터를 나타낸 예시도이다.3 and 4 are exemplary views showing arrangement data according to an embodiment of the present invention.
도 3 및 도 4에 나타나 있듯이, 부배열 데이터 벡터 uk[n]는 부배열 데이터 벡터 xl[n] 와 서로 구별된다. 이에 대한 자세한 설명은 후술하기로 한다.As shown in Figs. 3 and 4, the subarray data vector u k [n] is distinguished from the subarray data vector x l [n]. Detailed description thereof will be described later.
Figure PCTKR2016006148-appb-I000008
의 대각 성분들은 모두 uk[n]의 벡터들의 자기 자신과의 내적(inner product)으로 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2016006148-appb-I000009
의 대각 이외의 성분들은 서로 다른 uk[n]의 벡터들의 내적으로 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2016006148-appb-I000008
The diagonal components of can all be expressed as the inner product of themselves with the vectors of u k [n].
Figure PCTKR2016006148-appb-I000009
Components other than the diagonal of can be represented internally of different vectors of u k [n].
만약 부배열 데이터 벡터 집합
Figure PCTKR2016006148-appb-I000010
이 나타내는 공간의 직교 기저(orthogonal basis)의 집합을 찾아 변환 행렬이 획득될 수 있으면,
Figure PCTKR2016006148-appb-I000011
은 항등행렬의 상수배로 변환될 수 있다. 다시 말하면, 만약 수학식 16의 성질을 만족하는 직교 기저의 집합
Figure PCTKR2016006148-appb-I000012
이 구해지면,
Figure PCTKR2016006148-appb-I000013
은 항등행렬의 상수배로 변환 가능하게 될 수 있다.
IF subarray data vector set
Figure PCTKR2016006148-appb-I000010
If a transformation matrix can be obtained by finding a set of orthogonal basis of the space represented by
Figure PCTKR2016006148-appb-I000011
Can be converted to a constant multiple of the identity matrix. In other words, an orthogonal basis set that satisfies the property of equation (16).
Figure PCTKR2016006148-appb-I000012
Once this is saved,
Figure PCTKR2016006148-appb-I000013
Can be converted to a constant multiple of the identity matrix.
Figure PCTKR2016006148-appb-M000016
Figure PCTKR2016006148-appb-M000016
일반적으로 어떠한 벡터 집합에 대해 직교 기저를 찾는 것을 직교화(orthogonalization) 알고리즘이라고 부른다. 이러한 직교화 알고리즘의 가장 대표적인 것이 QR 분해(QR decompostion)이다. 만약 m × n(m≥n) 크기의 행렬 A가 주어져 있다고 가정하면, A의 QR 분해는 다음과 같이 주어진다.In general, finding an orthogonal basis for a set of vectors is called an orthogonalization algorithm. The most representative of this orthogonalization algorithm is QR decompostion. Assuming that m × n (m ≧ n) matrix A is given, the QR decomposition of A is given by
Figure PCTKR2016006148-appb-M000017
Figure PCTKR2016006148-appb-M000017
여기서 Q는 m × n 직교 행렬(orthogonal matrix)이며, R은 n × n은 상삼각행렬(upper triangular matrix)이다. 만약 A가 완전열계수(full column rank)를 가지면, Q는 A의 치역(range)의 직교 기저를 나타낸다.Where Q is an m × n orthogonal matrix, and R is n × n an upper triangular matrix. If A has a full column rank, then Q represents the orthogonal basis of the range of A.
QR 분해를 본 발명에 따른 실시예에 적용시키기 위해, 우선
Figure PCTKR2016006148-appb-I000014
로 구성된 (M-L+1) × L 크기의 제1 부배열 데이터 행렬 U[n]이 다음과 같이 생성될 수 있다.
In order to apply QR decomposition to an embodiment according to the present invention, first
Figure PCTKR2016006148-appb-I000014
A first subarray data matrix U [n] having a size of (M−L + 1) × L may be generated as follows.
Figure PCTKR2016006148-appb-M000018
Figure PCTKR2016006148-appb-M000018
그리고, 부배열 데이터 행렬의 직교화 알고리즘을 통해 변환 행렬이 획득될 수 있다. 즉, U[n]의 QR 분해는 다음과 같이 주어진다.The transformation matrix may be obtained through an orthogonalization algorithm of the subarray data matrix. That is, the QR decomposition of U [n] is given by
Figure PCTKR2016006148-appb-M000019
Figure PCTKR2016006148-appb-M000019
여기서 S[n]은 L × L 상삼각행렬이고, Q[n]은
Figure PCTKR2016006148-appb-I000015
의 직교기저로 구성된 (M-L+1) × L 크기의 직교 행렬로서 다음과 같이 표현될 수 있다.
Where S [n] is the L × L phase triangular matrix, and Q [n] is
Figure PCTKR2016006148-appb-I000015
An orthogonal matrix of size (M-L + 1) × L consisting of the orthogonal basis of can be expressed as
Figure PCTKR2016006148-appb-M000020
Figure PCTKR2016006148-appb-M000020
여기서, 공간적 공분산 행렬 R[n]과의 혼동을 피하기 위해 상삼각행렬이 S[n]으로 표기되었다.Here, the upper triangular matrix is denoted as S [n] to avoid confusion with the spatial covariance matrix R [n].
여기서 주의할 점은, 앞선 일련의 변환 과정이
Figure PCTKR2016006148-appb-I000016
에 대해 적용이 되었다는 것이다. 배열 데이터에 변환이 적용되고, 빔포밍 출력이 획득되기 위해서
Figure PCTKR2016006148-appb-I000017
에 대한 변환행렬이 요구된다. 즉, 앞선 QR 분해 과정을 통해
Figure PCTKR2016006148-appb-I000018
에 대한 변환행렬이 획득되어야 한다.
Note that the previous series of conversion
Figure PCTKR2016006148-appb-I000016
Has been applied for. In order to apply the transformation to the array data, and to obtain the beamforming output,
Figure PCTKR2016006148-appb-I000017
A conversion matrix for is required. In other words, through the QR decomposition process
Figure PCTKR2016006148-appb-I000018
The transformation matrix for must be obtained.
이는 비교적 간단히 해결된다. 수학식 18에 표현된 U[n]을 다시 한번 살펴보면, U[n]의 행(row) 성분들이 바로
Figure PCTKR2016006148-appb-I000019
인 것을 확인할 수 있다. 즉, U[n]은 다음과 같이 표현이 가능하다.
This is solved relatively simply. Looking again at U [n] expressed in Equation 18, the row components of U [n]
Figure PCTKR2016006148-appb-I000019
You can confirm that That is, U [n] can be expressed as follows.
Figure PCTKR2016006148-appb-M000021
Figure PCTKR2016006148-appb-M000021
U[n]의 전치(transpose) 행렬은 다음과 같이 표현될 수 있다.The transpose matrix of U [n] can be expressed as follows.
Figure PCTKR2016006148-appb-M000022
Figure PCTKR2016006148-appb-M000022
결국 UT[n]는
Figure PCTKR2016006148-appb-I000020
을 열로 구성된 제1 부배열 데이터 행렬로 간주될 수 있다. 수학식 19의 양변에 전치 과정이 수행되고, 양변에 S-T[n]이 수식의 앞쪽에 곱해지면, 다음의 결과가 획득될 수 있다.
Eventually U T [n]
Figure PCTKR2016006148-appb-I000020
May be regarded as a first subarray data matrix composed of columns. If the transposed process is performed on both sides of Equation 19, and S -T [n] is multiplied by the front side of the equation, the following result can be obtained.
Figure PCTKR2016006148-appb-M000023
Figure PCTKR2016006148-appb-M000023
여기서, ST[n]은 대각성분이 0이 아닌 하삼각행렬이므로, 반드시 역행렬을 갖는다. 수학식 7, 수학식 22, 그리고 수학식 22에 따라, S-T[n]은 변환행렬 T[n]으로 간주될 수 있다. 결과적으로, U[n]의 QR 분해 과정을 통해서 간단히 변환 행렬 T[n]이 획득될 수 있다.Here, since S T [n] is a lower triangular matrix whose diagonal component is not 0, it necessarily has an inverse matrix. According to equations (7), (22), and (22), S- T [n] can be regarded as a transformation matrix T [n]. As a result, the transformation matrix T [n] can be obtained simply through the QR decomposition process of U [n].
앞선 결과를 토대로,
Figure PCTKR2016006148-appb-I000021
로부터 변환된 부배열 데이터 벡터
Figure PCTKR2016006148-appb-I000022
또한 직교행렬 Q로부터 정의될 수 있다.
Based on the previous results,
Figure PCTKR2016006148-appb-I000021
Subarray data vector transformed from
Figure PCTKR2016006148-appb-I000022
It can also be defined from orthogonal matrix Q.
Figure PCTKR2016006148-appb-I000023
Figure PCTKR2016006148-appb-I000023
여기서,here,
Figure PCTKR2016006148-appb-I000024
Figure PCTKR2016006148-appb-I000024
다음으로, 빔포밍 장치(100)는 변환 행렬을 이용하여 아포디제이션 가중을 획득할 수 있다(S230).Next, the beamforming apparatus 100 may obtain the apodization weighting using the transformation matrix (S230).
여기서, 변환 행렬을 이용하여 아포디제이션 가중을 획득하는 단계는, 상삼각 행렬 및 제1 조향 행렬에 전진대입 알고리즘을 적용함으로써 제2 조향 행렬을 획득하는 단계(S231); 및 제2 조향 행렬을 이용하여 아포디제이션 가중을 획득하는 단계(S232)를 포함할 수 있다.Here, obtaining the apodization weighting using the transform matrix may include obtaining a second steering matrix by applying a forward substitution algorithm to the upper triangular matrix and the first steering matrix (S231); And obtaining the apodization weighting using the second steering matrix (S232).
수학식 12와 같이, 빔포밍 장치(100)는 제2 조향벡터 az[n]을 획득하면 아포디제이션 가중을 획득할 수 있다. 수학식 8에 기술 되어 있듯이, az[n]는 a에 변환 행렬을 곱해서 쉽게 구해진다.As shown in Equation 12, the beamforming apparatus 100 may obtain the apodization weighting when the second steering vector a z [n] is obtained. As described in Equation 8, a z [n] is easily obtained by multiplying a by a transformation matrix.
Figure PCTKR2016006148-appb-M000024
Figure PCTKR2016006148-appb-M000024
여기서, 역행렬에 관한 연산을 포함하지 않는 az[n]에 관한 해법을 위해, ST[n]의 특징이 이용될 수 있다. ST[n]가 하삼각행렬이라는 성질에 기초하여 전진대입(forward substitution) 방법에 따른 다음의 수식에 의해 낮은 수준의 계산 복잡도로 쉽게 az[n]이 획득될 수 있다.Here, the feature of S T [n] may be used for a solution for a z [n] that does not include operations on inverse matrices. Based on the property that S T [n] is a lower triangular matrix, a z [n] can be easily obtained with a low level of computational complexity by the following equation according to the forward substitution method.
Figure PCTKR2016006148-appb-M000025
Figure PCTKR2016006148-appb-M000025
여기서 ST[n]의 해법과 관련하여, U[n]의 특수한 구조로 인해 QR 분해가 빠르게 진행될 수 있다. 수학식 18을 참고하면, U[n]의 대각 성분들은 왼쪽 위에서 오른쪽 아래 방향으로 같은 값을 가지고 있다. 즉, U[n]은 테플리치 행렬이다. 이러한 테플리치 행렬 구성은 수학식 14에서 uk[n]을 역방향으로 배열하는 것에 기초한다. 테플리치 행렬에 관해서는 낮은 수준의 계산 복잡도를 가지는 QR 분해 방법이 알려져 있다.In relation to the solution of S T [n] here, due to the special structure of U [n], QR decomposition can proceed quickly. Referring to Equation 18, the diagonal components of U [n] have the same value in the upper left to the lower right. In other words, U [n] is a tapered matrix. This fetch matrix configuration is based on arranging u k [n] backwards in (14). Regarding the tapped matrix, a QR decomposition method is known which has a low level of computational complexity.
결국, 이렇게 구해진 az[n]에 기초하여 수학식 12에 의해 아래와 같이 아포디제이션 가중이 획득될 수 있다.As a result, the apodization weighting may be obtained as shown below by Equation 12 based on the obtained az [n].
Figure PCTKR2016006148-appb-I000025
Figure PCTKR2016006148-appb-I000025
다음으로, 빔포밍 장치(100)는 제1 부배열 데이터 행렬 및 변환 행렬을 이용하여 제2 부배열 데이터(subarray data) 행렬의 평균을 획득할 수 있다(S240).Next, the beamforming apparatus 100 may obtain an average of the second subarray data matrix using the first subarray data matrix and the transformation matrix (S240).
수학식 23을 참조하면, 제2 부배열 데이터 행렬의 평균 zmean[n]은, QT[n]의 열성분의 평균을 구하는 것을 통해 획득될 수 있다.Referring to Equation 23, an average z mean [n] of the second subarray data matrix may be obtained by obtaining an average of thermal components of Q T [n].
즉, 빔포밍 출력은 다음과 같이 연산될 수 있다.That is, the beamforming output may be calculated as follows.
Figure PCTKR2016006148-appb-M000026
Figure PCTKR2016006148-appb-M000026
여기서,
Figure PCTKR2016006148-appb-I000026
이다.
here,
Figure PCTKR2016006148-appb-I000026
to be.
종합적으로, U[n]의 QR 분해를 통해 연산된 직교행렬과 상삼각행렬을 통해 아포다이제이션 가중과 제2 부배열 데이터 행렬의 평균이 획득되고, 이를 통해 빔포밍 출력이 간단히 획득된다.In general, the apodization weighting and the average of the second subarray data matrix are obtained through the orthogonal matrix and the upper triangular matrix computed through QR decomposition of U [n], thereby obtaining a beamforming output simply.
하지만, QR 분해에 상당한 수준의 계산 복잡도가 요구한다. 물론, 본 발명의 실시예에 따른 방법은 기존의 방법과 비교하여 낮은 수준의 계산 복잡도를 보이나, 여전히 부배열의 크기의 세제곱에 비례하는 계산 복잡도를 보인다.However, QR decomposition requires a significant amount of computational complexity. Of course, the method according to the embodiment of the present invention shows a low level of computational complexity compared to the conventional method, but still shows a computational complexity proportional to the cube of the size of the subarray.
본 발명의 실시예에 따른 방법에서 계산 복잡도를 줄일 수 있는 요소가 적용될 수 있다.In the method according to the embodiment of the present invention, an element for reducing the computational complexity may be applied.
우선, 다음 식과 같이 직교행렬 Q[n]의 사용 없이 빔포밍 출력이 획들될 수 있다.First, the beamforming output can be stroked without using the orthogonal matrix Q [n] as shown in the following equation.
Figure PCTKR2016006148-appb-M000027
Figure PCTKR2016006148-appb-M000027
여기서,
Figure PCTKR2016006148-appb-I000027
이다.
here,
Figure PCTKR2016006148-appb-I000027
to be.
참고로, xmean[n]은 UT[n]의 열벡터의 평균을 구하는 해법에 의해 획득될 수 있다(S241).For reference, x mean [n] may be obtained by a solution for calculating an average of the column vectors of U T [n] (S241).
결과적으로, 수학식 26과 수학식 27로부터 열벡터의 평균과 변환 행렬을 이용하여 제2 부배열 데이터 행렬의 평균이 획득될 수 있다(S242).As a result, the average of the second subarray data matrix may be obtained from the equations 26 and 27 using the average of the column vectors and the transformation matrix (S242).
Figure PCTKR2016006148-appb-M000028
Figure PCTKR2016006148-appb-M000028
수학식 24와 수학식 25에서 제2 조향 행렬을 구할 때와 마찬가지로, zmean[n]의 해법이 수학식 29와 같이 전진대입 알고리즘이 사용될 수 있다.As in the case of obtaining the second steering matrix in equations (24) and (25), a forward substitution algorithm may be used for the solution of z mean [n] as shown in equation (29).
Figure PCTKR2016006148-appb-M000029
Figure PCTKR2016006148-appb-M000029
또한, U[n]의 특수한 구조로 인해, QR 분해가 바르게 진행될 수 있다. 수학식 18을 참고하면, U[n]의 대각 성분들은 왼쪽 위에서 오른쪽 아래 방향으로 같은 값을 가지고 있다. 즉, U[n]은 테플리치 행렬이다.Also, due to the special structure of U [n], QR decomposition can proceed correctly. Referring to Equation 18, the diagonal components of U [n] have the same value in the upper left to the lower right. In other words, U [n] is a tapered matrix.
테플리치 행렬에 관해서는 낮은 수준의 계산 복잡도를 가지는 QR 분해 방법이 알려져 있다. 일반적으로 m × n(m≥n) 의 행렬의 경우에 13mm+O(n2)의 계산 수준으로 QR 분해가 실행될 수 있다.Regarding the tapped matrix, a QR decomposition method is known which has a low level of computational complexity. In general, QR decomposition may be performed at a computation level of 13 mm + O (n 2 ) for m × n (m ≧ n) matrices.
다음으로, 빔포밍 장치(100)는 제2 부배열 데이터 행렬의 평균 및 아포디제이션 가중을 기초로 빔포밍을 수행할 수 있다(S250).Next, the beamforming apparatus 100 may perform beamforming based on the average and apodization weights of the second subarray data matrix (S250).
즉, 수학식 26에 이해 빔포밍 출력은 다음과 같다.That is, the beamforming output in Equation 26 is as follows.
Figure PCTKR2016006148-appb-I000028
Figure PCTKR2016006148-appb-I000028
U[n]은 (M-L+1) × L 크기의 행렬이므로, 13(M-L+1)L+O(L2) 수준의 계산 복잡도로 QR 분해가 실행될 수 있다. 또한, 본 발명의 경우 직교행렬 없이 오직 상삼각 행렬만을 통해 빔포밍 출력이 획득될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따라 빔포밍 출력 획득에 상삼각 행렬만이 포함되는 경우, mn+O(n2) 수준의 계산 복잡도, 즉 (M-L+1)L+O(L2) 수준의 계산 복잡도로 빔포밍 출력이 획득될 수 있다. 이러한 계산 복잡도는 부배열의 크기의 제곱에 비례하는 수준(O(L2))으로 기존의 최소 분산 빔포밍의 부배열의 크기의 세제곱에 비례하는 경우 (O(L3))와 비교해서 상당한 수준으로 낮아진 계산 복잡도다.Since U [n] is a matrix of size (M-L + 1) × L, QR decomposition can be performed with a computational complexity of 13 (M-L + 1) L + O (L 2 ). In addition, in the case of the present invention, the beamforming output may be obtained through only an upper triangular matrix without an orthogonal matrix. That is, when only the upper triangular matrix is included in the beamforming output acquisition according to the embodiment of the present invention, the computational complexity of mn + O (n 2 ) level, that is, (M-L + 1) L + O (L 2 ) The beamforming output can be obtained with a level of computational complexity. This computational complexity is a level proportional to the square of the size of the subarray (O (L 2 )), which is significant compared to the square of the size of the subarray of the existing least distributed beamforming (O (L 3 )). It is a computational complexity that has been reduced to a level
표 1에 기존의 방법과 본 발명의 일 실시예에 따른 방법의 계산 복잡도가 상세히 비교되어 있다. 계산 복잡도는 부동소숫점 연산량(Floating-point operations)을 통해 정량화 되었다.Table 1 compares the computational complexity of the existing method and the method according to an embodiment of the present invention in detail. Computational complexity was quantified by floating-point operations.
Figure PCTKR2016006148-appb-T000001
Figure PCTKR2016006148-appb-T000001
본 발명에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통해 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위해 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.The methods according to the invention can be implemented in the form of program instructions that can be executed by various computer means and recorded on a computer readable medium. Computer-readable media may include, alone or in combination with the program instructions, data files, data structures, and the like. The program instructions recorded on the computer readable medium may be those specially designed and constructed for the present invention, or may be known and available to those skilled in computer software.
컴퓨터 판독 가능 매체의 예에는 롬(rom), 램(ram), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 적어도 하나의 소프트웨어 모듈로 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.Examples of computer readable media include hardware devices that are specifically configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include machine language code, such as produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device described above may be configured to operate with at least one software module to perform the operations of the present invention, and vice versa.
이상 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although it has been described above with reference to the preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be able to variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below. It will be appreciated.

Claims (12)

  1. 빔포밍(beamforming) 장치에서 수행되는 빔포밍 방법에 있어서,In the beamforming method performed in the beamforming apparatus,
    배열 데이터, 상기 배열 데이터 내에서 정의되는 제1 부배열 데이터 행렬 및 제1 조향 행렬을 설정하는 단계;Setting array data, a first subarray data matrix and a first steering matrix defined within the array data;
    상기 제1 부배열 데이터 행렬에 기초하여 공분산 행렬을 항등 행렬의 상수배로 변환하는 변환 행렬을 획득하는 단계;Obtaining a transformation matrix for converting a covariance matrix into a constant multiple of an identity matrix based on the first subarray data matrix;
    상기 변환 행렬을 이용하여 아포디제이션 가중(apodization weight)을 획득하는 단계;Obtaining an apodization weight using the transformation matrix;
    상기 제1 부배열 데이터 행렬 및 상기 변환 행렬을 이용하여 제2 부배열 데이터(subarray data) 행렬의 평균을 획득하는 단계; 및Obtaining an average of a second subarray data matrix using the first subarray data matrix and the transformation matrix; And
    상기 제2 부배열 데이터 행렬의 평균 및 상기 아포디제이션 가중을 기초로 빔포밍을 수행하는 단계를 포함하는, 빔포밍 방법.And performing beamforming based on the average of the second subarray data matrix and the apodization weighting.
  2. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1,
    상기 변환 행렬을 획득하는 단계는,Obtaining the transformation matrix,
    상기 제1 부배열 데이터 행렬의 직교화(orthogonalization) 알고리즘을 통해 상기 변환 행렬을 획득하는, 빔포밍 방법.And obtaining the transformation matrix through an orthogonalization algorithm of the first subarray data matrix.
  3. 청구항 2에 있어서,The method according to claim 2,
    상기 직교화 알고리즘은,The orthogonalization algorithm,
    직교 행렬(orthogonal matrix)과 상삼각 행렬(upper triangular matrix)의 곱으로 표현되는 QR 분해(QR decomposition)인, 빔포밍 방법.A beamforming method, which is QR decomposition represented by the product of an orthogonal matrix and an upper triangular matrix.
  4. 청구항 3에 있어서,The method according to claim 3,
    상기 변환 행렬을 획득하는 단계는,Obtaining the transformation matrix,
    테플리츠 행렬(toeplitz matrix) 형태를 갖는 상기 제1 부배열 데이터 행렬에 관한 상기 상삼각 행렬을 구하는 방법을 포함하는, 빔포밍 방법.And obtaining the upper triangular matrix for the first subarray data matrix in the form of a toeplitz matrix.
  5. 청구항 4에 있어서,The method according to claim 4,
    상기 변환 행렬을 이용하여 아포디제이션 가중을 획득하는 단계는,Acquiring an apodization weighting using the transform matrix,
    상기 상삼각 행렬 및 상기 제1 조향 행렬에 전진대입(forward substitution) 알고리즘(algorithm)을 적용함으로써 제2 조향 행렬을 획득하는 단계; 및Obtaining a second steering matrix by applying a forward substitution algorithm to the upper triangular matrix and the first steering matrix; And
    상기 제2 조향 행렬을 이용하여 상기 아포디제이션 가중을 획득하는 단계를 포함하는, 빔포밍 방법.Obtaining the apodization weighting using the second steering matrix.
  6. 청구항 2에 있어서,The method according to claim 2,
    상기 제2 부배열 데이터 행렬의 평균을 획득하는 단계는,Obtaining an average of the second subarray data matrix,
    상기 제1 부배열 데이터 행렬에서 열벡터의 평균을 획득하는 단계; 및Obtaining an average of column vectors in the first subarray data matrix; And
    상기 열벡터의 평균과 상기 변환 행렬을 기초로 전진대입(forward substitution) 알고리즘(algorithm)을 이용하여 제2 부배열 데이터 행렬의 평균을 연산하는 단계를 포함하는, 빔포밍 방법.Computing an average of a second subarray data matrix using a forward substitution algorithm based on the mean of the column vectors and the transformation matrix.
  7. 빔포밍 출력 생성을 위한 빔포밍 장치로서,A beamforming apparatus for generating beamforming output,
    상기 빔포밍 수행에 관한 연산을 수행하는 프로세서; 및A processor configured to perform operations related to the beamforming; And
    상기 프로세서를 통해 실행되는 적어도 하나의 명령이 저장된 메모리를 포함하고,A memory having stored therein at least one instruction executed by the processor,
    상기 적어도 하나의 명령은,The at least one command is
    배열 데이터, 상기 배열 데이터 내에서 정의되는 제1 부배열 데이터 행렬 및 제1 조향 행렬을 설정하는 단계;Setting array data, a first subarray data matrix and a first steering matrix defined within the array data;
    상기 제1 부배열 데이터 행렬에 기초하여 공분산 행렬을 항등 행렬의 상수배로 변환하는 변환 행렬을 획득하는 단계;Obtaining a transformation matrix for converting a covariance matrix into a constant multiple of an identity matrix based on the first subarray data matrix;
    상기 변환 행렬을 이용하여 아포디제이션 가중(apodization weight)을 획득하는 단계;Obtaining an apodization weight using the transformation matrix;
    상기 제1 부배열 데이터 행렬 및 상기 변환 행렬을 이용하여 제2 부배열 데이터(subarray data) 행렬의 평균을 획득하는 단계; 및Obtaining an average of a second subarray data matrix using the first subarray data matrix and the transformation matrix; And
    상기 제2 부배열 데이터 행렬의 평균 및 상기 아포디제이션 가중을 기초로 빔포밍을 수행하도록 실행 가능한, 빔포밍 장치.And beamforming based on the average of the second subarray data matrix and the apodization weighting.
  8. 청구항 7에 있어서,The method according to claim 7,
    상기 변환 행렬을 획득하는 단계는,Obtaining the transformation matrix,
    상기 제1 부배열 데이터 행렬의 직교화(orthogonalization) 알고리즘을 통해 상기 변환 행렬을 획득하는, 빔포밍 장치.And obtaining the transformation matrix through an orthogonalization algorithm of the first subarray data matrix.
  9. 청구항 8에 있어서,The method according to claim 8,
    상기 직교화 알고리즘은,The orthogonalization algorithm,
    직교 행렬(orthogonal matrix)과 상삼각 행렬(upper triangular matrix)의 곱으로 표현되는 QR 분해(QR decomposition)인, 빔포밍 장치.A beamforming apparatus, which is QR decomposition represented by the product of an orthogonal matrix and an upper triangular matrix.
  10. 청구항 9에 있어서,The method according to claim 9,
    상기 변환 행렬을 획득하는 단계는,Obtaining the transformation matrix,
    테플리츠 행렬(toeplitz matrix) 형태를 갖는 상기 제1 부배열 데이터 행렬에 관한 상기 상삼각 행렬을 구하는 방법을 포함하는, 빔포밍 장치.And obtaining the upper triangular matrix with respect to the first subarray data matrix in the form of a toeplitz matrix.
  11. 청구항 10에 있어서,The method according to claim 10,
    상기 변환 행렬을 이용하여 아포디제이션 가중을 획득하는 단계는,Acquiring an apodization weighting using the transform matrix,
    상기 상삼각 행렬 및 상기 제1 조향 행렬에 전진대입(forward substitution) 알고리즘(algorithm)을 적용함으로써 제2 조향 행렬을 획득하는 단계; 및Obtaining a second steering matrix by applying a forward substitution algorithm to the upper triangular matrix and the first steering matrix; And
    상기 제2 조향 행렬을 이용하여 상기 아포디제이션 가중을 획득하는 단계를 포함하는, 빔포밍 장치.Obtaining the apodization weighting using the second steering matrix.
  12. 청구항 8에 있어서,The method according to claim 8,
    상기 제2 부배열 데이터 행렬의 평균을 획득하는 단계는,Obtaining an average of the second subarray data matrix,
    상기 제1 부배열 데이터 행렬에서 열벡터의 평균을 획득하는 단계; 및Obtaining an average of column vectors in the first subarray data matrix; And
    상기 열벡터의 평균과 상기 변환 행렬을 기초로 전진대입(forward substitution) 알고리즘(algorithm)을 이용하여 제2 부배열 데이터 행렬의 평균을 연산하는 단계를 포함하는, 빔포밍 장치.And calculating an average of a second subarray data matrix using a forward substitution algorithm based on the mean of the column vectors and the transformation matrix.
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