KR100530861B1 - 펄스에코 신호의 3차원 처리에 의한 초음파 비파괴 검사 방법 - Google Patents

Abstract

비파괴 시험을 위한 3차원 구조의 초음파 영상은 다양한 결함을 명백하게 보여줄 수 있을 만큼 상세하고 쉽게 알아볼 수 있는 정보가 제공되어야 한다. 수년동안 원자력 발전소에서 사용된 금속관에 발견되는 소규모의 균열은 전형적인 결함들인데, 이러한 밀리미터 이하의 균열이나 결함은 최종 3차원 영상에서 묘사되어야만 의미있는 검사가 될 것이다. 향상된 선명도와 그에 따른 결함의 발견 과정의 한 단계로써, 펄스에코(pulse-echo) 초음파를 사용한 3차원 영상제작 기술을 제안한다. 이 기술은 필요한 스캐닝과 펄스에코 데이터의 처리과정을 통한 검사로 3차원 물체의 3차원 영상을 생성하는데, 2차원 위너필터(Wiener filter)에 의해 초음파 빔을 선명하게 하는 기술을 포함한다. 제안하는 위너필터는 빔의 전달에서 펄스에코데이터를 초음파 빔(beam)방향의 수직방향에 따라 필터링한다. 이 3차원 처리과정은 결함의 선명성을 증진시키고 사용자에게 3차원 구조물의 좌우 회전 및 축 회전과 같은 조작 능력을 제공한다. 이러한 조작 능력은 3차원에서 다양한 결함들의 크기와 위치의 분명한 묘사를 가능하게 한다.

Description

펄스에코 신호의 3차원 처리에 의한 초음파 비파괴 검사 방법{Method for Ultrasonic Nondestructive Testing by 3-D Processing of Pulse-Echo Signal}

본 발명은 펄스에코 데이터를 바탕으로 구조물을 3차원 공간 시각화하여 검사하는 초음파 비파괴 검사 방법에 관한 것이다.

구조물 특히 금속 구조물의 초음파 비파괴 검사를 위해서는 투과(transmission) 또는 펄스에코(pulse-echo) 신호를 기반으로 하는 초음파 단층 영상 시스템이 종래부터 이용되어 왔다.

먼저, 투과신호에 기반을 둔 초음파 단층 영상 시스템에 대해 살펴보면 다음과 같다.

초음파 투과 신호에 의한 단층 영상 시스템은 X-ray CT(computed tomography) 또는 자기공명 영상시스템(MRI)과 같은 다양한 의료 영상 시스템과 유사한 면이 있지만, 초음파 단층 영상 시스템에는 초음파 빔(beam)의 굴절현상이 영상복원 알고리즘에 포함되어야만 한다. 여러 개의 초음파 단층 영상 시스템이 비파괴 검사 뿐만 아니라 의학적인 적용을 목적으로 제안되어져 왔다.

그러나 초음파 단층 영상 시스템은 몇 가지 극복해야 할 사항들이 있다.

첫번째, 초음파 단층 영상 시스템은 스캐너의 구성에 있어서 주의 깊은 설계를 필요로 한다. 그 이유는 음향원(acoustic source)과 검출기(detector)는 정확한 위치에 있어야 할 뿐만 아니라 구조물과의 접촉도 정밀해야 하기 때문이다. 따라서 구조물의 형상 뿐만 아니라 정확한 형상을 고려한 영상복원 알고리즘은 평가 대상의 형상에 의해 변해야만 한다.

둘째, 영상 복원 알고리즘은 초음파 빔(beam)의 굴절현상을 모델링하여 초음파 빔의 경로를 파악해야만 한다. 데니스(F. Denis, O. basset, and G. Gimenez, " Ultra transmission tomograghy in refracting media: reduction of refraction artifacts by curved-ray techniques" , IEEE Trans. Med. Imaging, vol. 12, no. 1, pp. 173-188, 1995)는 이러한 경로 계산 과정과 관련된 어려움에 대해서 언급하고 있다. 계산과정은 형상광학(geometrical optics)을 기초로 하여 빔 전파(beam propagation)과정을 에이코널 수식(eikonal equation)으로 모델링하여 푸는 어려운 과정을 포함하고 있다. 따라서, 정확한 빔 경로의 결정을 통한 레이 캐스팅(ray casting)도 포함되어야 하는데 이는 많은 연산량을 요구한다.

셋째, 경로 연산 과정의 포함은 영상복원에 있어서 ART(Algebraic Reconstruction Techniques) 또는 SIRT(Simultaneous Iterative Reconstruction Technique)의 사용을 필요로 한다. 그 이유는 필터 백 프로젝션(filtered back-projection)과 컨볼루션 백 프로젝션(convolution back projection) 알고리즘과 같이 효율이 높은 영상복원 알고리즘은 굴절이 없는 X-ray 기반 시스템에서만 적용이 가능하기 때문이다.

따라서, 앞에 언급한 복잡한 스캐너의 설계와 많은 연산량을 필요로 하는 영상복원 알고리즘(ART 또는 SIRT)과 경로 연산의 혼합에서 오는 어려움 때문에, 초음파단층영상 시스템은 검사와 진단을 목적으로 유용한 영상을 제공하는데 있어서 부분적인 성공만을 가져왔다.

이에 반하여, 펄스에코 데이터 기반 초음파 검사 시스템은 영상복원 알고리즘을 필요로 하지 않는다. 이 시스템은 약간의 게인(gain) 조절과 데이터의 재구성을 제외하고는 최소한의 과정으로 주어진 데이터를 간단하게 수집하고 표현할 수 있다. 따라서 무생물에서 인간 몸체에 이르는 대부분의 초음파 검사와 시험은 펄스에코 데이터에 기반을 두고 있는데, 그 이유는 펄스에코 데이터 기반 시스템은 간단한 설계 조건을 지니면서도 진단에 유용한 영상을 생성할 수 있다는 것이다. 펄스에코 데이터 기반 초음파 영상 시스템의 발전은 영상의 해상도를 높여주기 위한 다중 진동자(혹은 진동자의 배열), 자동 게인 조절(AGC: automatic gain control) 등과 같은 여러 분야에서 이루어지고 있다.

일반적으로, 구조물 비파괴 검사를 위해 펄스에코 데어터를 이용하는 경우에 있어서, 펄스에코 데이터는 A-scan, B-scan, C-scan과 같은 형태로만 구조물에 대한 정보를 제공한다. 따라서 다양한 결점의 위치와 크기를 추측하기 위한 구조물 비파괴검사를 위해서는 B-scan 및 C-scan의 데이터를 동시에 관찰해야만 가능하다는 불편함이 있다.

또한, 상기 B-scan 및 C-scan의 데이터는 초음파 빔의 회절 현상으로 인한 흐려짐(blurring) 현상으로 인해 해상도가 좋지 않아서, 구조물 검사 결과의 신뢰성을 떨어뜨린다.

이에 본 발명은 B-scan 및 C-scan의 데이터를 동시에 관찰해야 할 필요없이 초음파 펄스에코 신호를 3차원 공간 시각화하여 간편하게 구조물 비파괴 검사를 할 수 있는 초음파 비파괴 검사 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 초음파 빔의 회절 현상을 인한 흐려짐 현상을 줄여서 해상도가 향상된 데이터로써 3차원 공간 시각화하여 구조물의 비파괴 검사를 할 수 있는 초음파 비파괴 검사 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 피검사구조물에 초음파를 주사하는 단계, 피검사구조물로부터 펄스에코 초음파 데이터를 획득하는 단계, 및 상기 획득된 펄스에코 초음파 데이터를 위너 필터 처리하는 단계를 포함하는 초음파 비파괴 검사방법 을 제공한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 설명하겠다.

먼저, 도 1을 참조하여 펄스에코 데이터를 획득하는 과정을 살펴보겠다.

펄스에코 데이터를 획득하기 위해 가해지는 초음파 빔(beam)은 유한한 원통형(cylintical)이나 직사각형(hexahedral) 형태의 진동자(transducer)(예컨대, 압전기(piezoelectric) 등)로부터 생성되는 이유로 회절(diffraction) 효과로 인해 원추형(cone)으로 생성된다. 이에 대해 더욱 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

진동자(transducer)는 시편의 위쪽에 위치해 있고, 도 1의 (a)에서 보듯이 윗면에서 레스터(raster) 스캔된다. 각 진동자 위치에서 펄스에코 데이터가 획득되기 때문에, 하나의 레스터 선에서는 도 1의 (b)에서 보이는 것과 같이 하나의 B-scan를 제공한다. 그러나, 초음파 빔은 원추형 형태이기 때문에, 데이터는 빔 전달 방향에 수직한 방향으로 흐려지게 된다. 도 1의 (b)에서 수평방향으로 흐려지는 것을 보여주고 있다. 도 1의 (b)는 입사각이 0도인 단자(즉, 진동자), 즉 표면에서 수직된 빔을 사용하여 실제 견본에서 획득된 B-scan 데이터이다. 그러한 수평적 흐림 현상은 궁극적으로 3차원 영상에서도 흐려짐을 발생시킨다.

상기의 수평적 흐려짐 현상을 명확히 파악하기 위해, 회절 이론을 사용하여 이를 수식으로 모델링하면 다음과 같다.

도 1에서 보여지는 3차원 형상을 가정하고, 단자는 x-y 평면 위에 3차원 물체의 상단에 위치해 있고, 빔은 물체 안에 z 방향으로 전달된다. 호이겐스-프레넬 원리(Huygens-Fresnel Princples)의 프라운호퍼의 원거리 회절공식(Fraunhofer's Far-field Diffraction Formula)을 이용하면 일정한 깊이 z에서 빔의 진폭 분포를 다음과 같이 정리할 수 있다(A. Macovski, Medical Imaging System, Prentice-Hall, Englewood cliffs, 1983 참조).

[수학식 1]

여기서 는 파장이고, 는 에 위치한 단자s(x,y)를 공간 주파수 와 에서 구한 2차원 푸리에 변환을 나타낸다. 따라서, 초음파 빔은 z평면에서 다음과 같은 명도(intensity) 분포를 나타낼 것이다.

[수학식 2]

직사각형 또는 원형의 단자 s(x,y)를 2차원 푸리에 변환 후 간단하게 표현하면 다음과 같은 명도 패턴을 각각 가지게 된다.

[수학식 3]]

[수학식 4]

여기서 이며 J ₁(x) 은 1차 베셀 함수이다. 그리고, (D_x,D_y ) 은 직사각형 단자의 x 및 y축 사이즈(size)이고 D는 원형 단자의 직경이다. 위의 프라운호퍼의 원거리 회절공식은 초음파 빔의 확산을 보여주고 있는데, 이것은 바로 도 1의 (b)에서 영상의 수평적 흐려짐(bluffing)의 근거가 된다.

전술한 바와 같이 3차원 구조물의 레스터 스캐닝은 회절로 인한 수평적 흐려짐을 발생시킨다. 이러한 흐려짐 현상을 제거하는 알고리즘의 개발을 위하여 데이터 측정과정을 모델링하면 다음과 같다.

도 2는 스캐닝 형상 때문에 나타나는 회절 효과를 설명하고 있다.

원형단자는 z = 0에 위치하고 x-y 평면 위에서 주사(scanning)한다. 진동자는 (x,y,0)에서 펄스를 송신하고, 반사되어 온 신호를 기록한다. 만약 (0,0, z ₀)에서 아주 작은 반사체가 존재한다면, 수신기에 명도 신호가 감지될 것이다. 그리고 이 단자가 z = 0 인 x-y 평면에서 스캔되었다면 획득된 명도신호는 x 와 y 의 함수로 나타날 것이며, 도 2의 z = z ₀ 평면의 영상과 같은 형태로 보일 것이다 (어두운 부분은 명도가 높음을 의미한다). 수학식 4의 프라운호퍼의 원거리 회절공식에서 나타내는 것이 바로 이 영상이다. 이 식은 다음과 같이 2차원 컨볼루션(convolution)으로 모델링할 수 있다.

[수학식 5]

(0,0, z ₀)에서의 결함으로 인한 z=z ₀에서의 흐려진 이미지

여기서 델타 함수 δ(x,y) 은 (0,0, z ₀)인 z = z ₀ 에 있는 결점을 나타낸다. 위의 컨볼루션은 z = z ₀ 평면에서의 2차원 컨볼루션이고, 모든 x-y 평면에 이러한 컨볼루션이 존재한다. 따라서, h(x,y,z) 은 공간에서 연속된 2차원 PSF (point spread function)이다.

3차원 구조물의 반사율을 영상화해서 f(x,y,z)로 모델링하자. 앞에서, z = 0인 x-y 평면에서 초음파 단자가 3차원 시편을 레스터 스캔할 때 검출기에 의해 기록된 명도는 다음과 같은 측정 방정식으로 모델링할 수 있음을 입증했다.

[수학식 6]

여기서 f(x,y,z) 는 재구성하려는 원본 영상(3차원 시편의 반사율 모델)이고, h(x,y,z) 는 회절 효과에 의해 z에 위치해 있는 결점에 대한 데이터 획득 시스템의 2차원 PSF이며, n(x,y,z) 는 측정과정에서의 수신기 노이즈이다. h(x,y,z) 는 수학식 6이 3차원 컨볼루션이 아니기 때문에 정확한 의미에서 PSF가 아니다. 그러나 앞서 언급했듯이 수학식6이 고정된 z에 대한 공식이면, h(x,y,z) 는 현재의 검사 시스템에 관련하여 2차원 PSF이다.

이상과 같이 살펴본 데이터 측정과정 모델링을 이용하여, 측정 데이터를 초음파 빔의 전달 방향의 수직 방향으로 위너 필터 처리하여 g(x,y,z)에서 로 표시되는 f(x,y,z)을 추정(estimate)하는 것에 대하여 살펴보면 다음과 같다.

추정값 는 기대값 인 최소 평균 제곱 오차를 가진다. 실제 필터링 작업은 일반적으로 주파수 영역에서 이루어지는데, 다음과 같이 표현된다.

[수학식 7]

여기서 는 각각 의 2차원 푸리에 변환이다. 와 는 각각 와 의 2차원 전력 밀도함수(power spectral density)이고 *은 복소 공액(complex-conjugate)을 나타낸다. 2차원 PSF 와 측정값 을 바탕으로, 이 결정된다.

수신기 노이즈는 측정 위치 간에 서로 연관성이 없으므로, 화이트 노이즈(white noise)로 모델링하여, 노이즈 전력 밀도 함수를 와 같이 상수로 가정한다. 전력 밀도 함수 에 대해서는 이용할 수 있는 정보가 없기 때문에 푸리에 변환의 제곱으로써 2차원 전력 밀도 함수를 평가하는 피리어드그램(periodogram) 방법을 이용한다. 즉,

[수학식 8]

따라서, 제안하는 위너필터는 다음과 같이 를 매번 갱신하는 반복연산으로 수행한다.

[수학식 9]

단,

[수학식 10]

여기서 K 는 앞서 언급했듯이 인 노이즈 전력 밀도 함수이고, A ^(k) 는 모든 반복 실행의 게인을 1로 만드는 방법으로, 해를 안정하게 만들기 위해 매번 반복 때마다 적용되는 게인 항목이다. 는 일반적인 L ₂ norm 을 나타낸다. 수학식9와 수학식 10이 바로 제안하는 반복연산을 통한 2차원 위너 필터이다.

첫 단계에서는 의 값을 알 수 없기 때문에, 를 적당한 상수로 놓았다. 계수 K는 기본적으로 원하는 흐려짐 제거의 양을 조절할 수 있는데, K가 증가함에 따라 필터의 흐려짐 방지 효과는 줄어든다. 반면에, K 를 작게 만들면 노이즈 효과는 확대되고, 그 결과 재구성된 영상 는 spike를 포함하게 된다. 현재, K 는 수작업에 의해 정해지고 있으며, K 의 자동적 선택에 대해서는 연구 중이다. 반복연산이 수렴되면 (residual 의 값에 의해서) 의 2차원 역 푸리에 변환을 모든 z 에 대해서 취한 결과가 바로 추정값인 이다. 위의 모든 푸리에 변환은 제로 패딩(zero-padding) 2차원 이산 푸리에 변환(2-D discrete Fourier transforms, DFT)을 통해 실행되었다.

이하에서는, 상기에서 제안된 것과 같이 데이터를 위너 필터 처리를 했을 때의 효과에 대해서 살펴보겠다.

먼저, 도 4를 참조하여, 임의로 생성한 데이터를 이용하여 위너 필터 처리의 효과를 평가해보면 다음과 같다. 상기 데이터는 3개의 원통형 결함을 가진 3차원 원본데이터 f(x,y,z)를 컴퓨터 상에서 생성하였다. 원본 데이터 f(x,y,z)에 회절현상으로 인한 흐려짐 현상을 나타내기 위해 모든 z에 대하여 2차원 PSD h(x,y,z)를 수학식6과 같이 적용하였고, 측정 과정에서의 수신기 노이즈를 표현하기 위해 피크신호대잡음비(peak-signal-to-noise-ratio)가 -40dBs인 노이즈를 더해주었다. 이러한 과정을 거처 g(x,y,z)를 생성하였으며, 도 4의 윗 부분은 데이터 생성과정을 보여주고 있다.

생성된 펄스에코 데이터를 수학식 9 및 10의 위너 필터로 처리하였다. 필터처리된 추정값 은 위너 필터가 예상한 대로 작동하였다는 것을 보여 주고있다. 도 4에서, 원본 데이터 와 추정 데이터 가 약간의 차이를 보이는데, 이는 바로 노이즈의 영향 때문이다. 노이즈를 첨가하지 않을 경우, 와 는 동일하게 나타나게 된다.

다음은 표준시편 SG-03에서 얻은 펄스에코데이터를 이용해서 위너 필터의 효과를 평가하였다. 도 5는 시편의 형상을 보여준다. 도 1의 (a) 및 (b)는 앞서 언급했듯이 데이터 수집 과정을 보여주고 있다. 도 6은 펄스에코 데이터를 획득하는데 사용한 Amdata의 I/UX 시스템이다. 도6의 (a)는 Amdata의 스캐너와 시편 SG-03의 모습이고, 도6의 (b)는 Amdata 데이터 획득 장치이다. 도1의 (b)와 같이 모든 B-scan 데이터가 3차원 형식으로 저장된 후, x-y 평면(z값 고정)에 나타나는 초음파 빔의 회절으로 인한 영상 흐려짐 현상을 복원하기 위하여, 획득된 데이터는 위너 필터 처리된다.

도 7은 SG-03 3차원 시편에서 획득한 데이터를 위너 필터로 처리한 결과를 보여 주고있다. 도7의 (a)와 (b)는 3차원 데이터 내의 한 단면인데, (a)는 초음파 빔 회절 현상에 의해 수평방향으로의 흐려짐(blurring) 현상을 보여 주고있고, (b)는 위너 필터로 처리한 후, 흐려짐 현상이 완화된 것을 보여 주고있다. 특히, 도7의 (b)에서는 3개의 원형 결점이 뚜렷하게 나타나는 것을 볼 수 있다.

이하에서는, 전술한 바와 같이 위너 필터로써 흐려짐 현상이 완화된 데이터를 3차원 공간 시각화하는 것에 대해 살펴보겠다.

3차원 공간 시각화는 의료분야에서는 도입되어 있으나 구조물의 초음파 비파괴 검사 분야에는 아직 도입되지 않고 있다. 본 발명의 실시예에 따른 3차원 시각화를 설명하기 전에, 먼저 의료분야에서 최근 이용되고 있는 3차원 시각화 기술에 대해 간략히 살펴보면 다음과 같다.

최근 의료분야에서는 연속된 단층영상을 빠른 시간 내에 진단하기 위한 3차원 시각화 기술이 필수요인이 되어버렸다. 예를 들어, 가상내시경(virtual colonoscopy)을 위한 영상획득은 약 100장 정도의 연속된 단층영상을 필요로 하는데, 이러한 자료의 3차원적 처리 및 시각화 기술은 효율적이며 빠른 진단을 제공하는 데 필수조건이 된다. 일반적으로, 3차원 데이터, 예를 들어 수백 개의 영상의 집합은 SR(Surface Rendering), VR(Volume Rendering), MIP(Maximum Intensity Projection; 최대밝기투영) 중의 한 가지 방법에 의해 처리된다. 이에 대해 차례로 살펴보면, 먼저 SR 기술은 표면(대개 간단한 경계에 의해)을 추출하고, 추출된 표면의 위치를 기반으로 인공적인 빛의 근원에 따라 표면을 표현한다. VR 기술은 대개 가상선(ray)를 투영하고 가상선에서의 복셀(voxel) 값에 따라 화면에 있는 각 픽셀(pixel)을 채색하는 레이 캐스팅(ray casting) 알고리즘을 기본으로 한다. 또한 MIP도 레이 캐스팅 알고리즘을 이용하지만, 화면에 채색될 광선의 최대 값을 선택한다. 이러한 시각화 기술, 즉, SR, VR, MIP는 자기공명영상과 X-ray CT 영상에서 다루어져 왔다. 초음파 펄스에코 데이터를 사용하는 3차원 의료 영상의 시각화에서는 주로 표면들이 두 조직 형태 사이의 경계면을 검출함으로써 표현되어져 왔다. 이러한 기술들은 관절의 연골조직, 전립선, 심장과 같은 부위에서 다양한 영역을 영상화할 수 있는 장래성을 보여 주고있다.

본 발명의 실시예에서는 상기 3가지의 3차원 공간 시각화 방법 중에서 MIP 기법을 이용한 펄스에코 데이터의 3차원 공간 시각화를 제안한다. 이에 대해 자세히 살펴보겠다.

대부분의 3차원 렌더링 기법은 등방성 복셀을 필요로 한다. 그러나 펄스에코데이터 샘플링 시간과 레스터스캔(raster scan)의 간격이 일반적으로 다르기 때문에 위너 필터 처리된 데이터를 x축으로 보간하여 등방성 복셀로 만들어 주어야 한다(도 1 참조). 획득된 데이터는 단면내의 픽셀(pixel) 간격과 단면간의 간격이 다르기 때문에, 다음과 같은 선형 보간법을 사용하였다.

[수학식 11]

위에서 x_k는 k번째 단면(B-scan 데이터)의 위치를 나타낸다. 생성되는 는 등방성의 복셀 데이터가 되고, 이렇게 생성된 데이터는 SR(surface rendering), VR(volume rendering), MIP(maximum intensity projection)과 같은 3차원 시각화 방법에 사용될 수 있다. 이중, MIP(최대밝기투영)은 다양한 의료의 시각화에 널리 적용되고 있다. 최대값 연산은 이 연산의 비선형성 때문에 최대밝기투영(MIP)은 힐버트공간(Hilbert Space) 측면에서는 투영이 아니다. 그러나, 레이 캐스팅(ray casting)과 같은 레이를 " 투영" 한다는 측면에서, MIP과정을 투영이라고 한다. MIP과정은 다음과 같이 간단하게 표현된다.

[수학식 12]

여기서 R(x,y,z)은 원래 좌표계 (x,y,z)에서 x 축(x-y 평면 상)을 θ 만큼 , z축을 φ만큼 회전하여 새로운 좌표계 (X,Y,Z)로 변환한 결과이다. 여기서, 투영의 방향은 최대 명도값이 선택되는 Z축이 된다. 수학식 12는 단지 MIP과정의 표현이고, 실제 실행에서는 시간이 소비되는 3차원 구조 데이터 회전을 하지 않는다. 레이 캐스팅의 방향은 두 각도 θ,φ의 cosine 값의 방향을 따르는 각각의 투영으로 간단하게 갱신된다. 그리고, MIP기술의 효과는 MIP 자체의 통계적인 특성으로 인해 명암대비(contrast-to-noise-ratio)의 개선 능력을 가진 3차원 의료영상의 시각화 (특히 혈관 조영법의 적용)에서 널리 사용되고 있다.

전술한 바와 같이 제안된 본 발명을 평가하기 위하여 도5의 표준시편 SG-03을 사용하였다. 펄스에코 데이터는 Amdata의 I/UX 장비(도 6)를 이용하여 획득하였는데, 2.25MHz의 중심 주파수(center frequency)를 가진 육면체(사각형 단자, D_x =D_y =0.5in)단자를 사용하였고, 펄스에코 데이터는 픽셀간격을 0.47 mm, 레스터스캔의 간격을 6.35 mm으로 획득하였다. 각각의 단자 위치에서 획득한 펄스에코데이터를 3차원 버퍼에 저장시킨 후, 위너 필터와 선형 보간법을 적용하여 등방성 복셀을 생성하였다. 생성된 3차원 데이터를 수학식 12의 MIP방법으로 처리하였다. 도 8은 θ와 φ를 변화시키면서 MIP한 결과이다. 도8의 (a)는 위너 필터 처리 과정 없이 MIP한 결과인데, 회절현상으로 인한 x-y 평면상의 흐려짐 현상을 확인할 수 있고, 초음파 단자(z = 0)와 원통형의 결함 사이의 거리가 증가함에 따라 흐려짐 현상이 커지는 것도 관찰할 수 있다. 도8의 (b)는 위너 필터 처리 과정을 거친 후 MIP한 결과이다. 여기에서는 회절로 인한 흐려짐 현상이 완화되어 원통형의 결함이 뚜렷하게 나타남을 확인할 수 있다.

도 9에서는 위와 같이 주요 각도(θ와 φ)에서 생성한 MIP 영상을 회전, 팬(pan), 줌(zoom)등의 기능을 제공하는 3차원 시각화 프로그램을 보여 주고있다. 이 프로그램은 ActiveX을 사용한 Visual C++의 Microsoft Foundation Class (MFC)를 이용하여 PC에서 개발 완료되었다. 오른쪽에 회전, 팬, 줌 기능의 버튼이 나열되어 있고, 이 버튼 중 하나를 선택하면 사용자는 마우스를 이용하여 시야각도(viewpoint)를 변경하거나(rotation), 물체의 이동(pan), 물체의 확대(zoom) 등이 가능하게 된다.

상술한 본 발명에 따른 펄스에코 신호의 3차원 처리에 의한 초음파 비파괴 검사 방법의 효과를 설명하면 다음과 같다.

첫째, 본 발명에 의하면, B-scan 및 C-scan의 데이터를 동시에 관찰해야 할 필요없이, 3차원 공간 시각화된 초음파 펄스에코 신호를 이용하여 간편하게 구조물 비파괴 검사를 할 수 있다.

둘째, 본 발명에 의하면 초음파 빔의 회절 현상을 인한 흐려짐 현상을 줄여서 해상도가 향상된 데이터로써 구조물의 비파괴 검사를 할 수 있으므로 검사 결과의 신뢰성이 매우 향상될 수 있다.

도 1은 펄스에코 데이터의 획득 및 데이터 처리 과정을 도시한다.

도 2는 진동자의 유한한 구경으로 인한 초음파의 회절을 도시한다.

도 3은 측정 수식 를 그림으로 설명한다.

도 4는 위너필터 사용의 타당성을 평가하기 위한 컴퓨터 시뮬레이션을 도시한다.

도 5는 표준 시편 SG-03을 도시한다.

도 6은 Amdata I/UX 시스템의 2D 스캐너 및 데이터 획득 장치를 도시한다.

도 7은 표준 시편 SG-03으로부터의 펄스에코 데이터(B-scan)를 도시한다.

도 8은 표준 시편 SG-03으로부터의 펄스에코 데이터를 이용하여 MIP 알고리즘에 의해 생성된 이미지들을 도시한다.

도 9는 3차원 시각화 소프트웨어의 구현을 나타낸다.

Claims (5)

1. a) 피검사구조물에 초음파를 주사하는 단계;

   b) 피검사구조물로부터 펄스에코 초음파 데이터를 획득하는 단계; 및

   c) 상기 획득된 펄스에코 초음파 데이터를, 다음의 수식과 같이 를 매번 갱신하여 반복 연산을 행함으로써 위너 필터 처리하는 단계;

   를 포함하는 초음파 비파괴 검사 방법.

   여기서,
2. 제 1 항에 있어서,

   c) 단계는 초음파 빔의 전달 방향의 수직 방향으로 펄스에코 초음파 데이터를 위너 필터 처리하는 단계인 것을 특징으로 하는 초음파 비파괴 검사 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 위너 필터 처리된 펄스에코 초음파 데이터를 이용하여 피검사구조물을 3차원 공간 시각화하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 비파괴 검사 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 3차원 공간 시각화 단계는 최대밝기투영(MIP; Maximum Intensity Projection) 기법을 이용하여 피검사 구조물을 3차원 공간 시각화하는 단계인 것을 특징으로 하는 초음파 비파괴 검사 방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 위너 필터 처리된 펄스에코 초음파 데이터를 선형보간하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 비파괴 검사 방법.