[논문]Full Matrix Capture 기법을 통한 초음파신호 영상화 향상 연구

이태훈; 윤병식; 이정석

doi:10.7779/jksnt.2015.35.5.299

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일반 위상배열 시스템에서는 다수의 압전소자를 가지는 탐촉자의 개별 소자에 인가하는 시간지연을 조절함으로써 초음파빔을 전자적으로 제어하고 초음파 영상을 획득한다. 반면, full matrix capture(FMC) 기술은 위상배열 탐촉자에 대해 하나의 소자에서 초음파를 입사시킨 신호를 모든 압전소자에서 수신하고, 이 방법으로 모든 가능한 송수신 조합의 신호 데이터를 수집하는 방법이다. 이 FMC 데이터는 후처리를 통해 초음파 영상으로 재구성될 수 있으며, 기존 위상배열 초음파 영상과 동등한 영상뿐만 아니라 가상적으로 관심영역의 모든 지점에 집속하여 분해능과 선명도가 향상된 total focusing method(TFM) 영상으로도 합성이 가능하다. 본 논문에서는 일반 위상배열장치를 이용하여 FMC가 가능하도록 시스템을 구현하고, 취득된 FMC 신호로부터 sector B-scan 및 TFM 이미지를 영상화하는 알고리즘에 대한 연구를 수행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A conventional phased array system can control an ultrasonic beam electronically by adjusting the excitation time delay of individual elements in a multi-element probe and produce an ultrasonic image. In Contrast, full matrix capture (FMC) is a data acquisition process that allows receiving ultrason...

A conventional phased array system can control an ultrasonic beam electronically by adjusting the excitation time delay of individual elements in a multi-element probe and produce an ultrasonic image. In Contrast, full matrix capture (FMC) is a data acquisition process that allows receiving ultrasonic signals from one single shot of the phased array transducer element through all the other elements and captures the complete dataset from every possible transmit-receive combination. This FMC data can be used to create the ultrasonic image in post processing. It is possible to produce not only images equivalent to conventional phased array image but also total focusing method (TFM) images with improved resolution and sharpness, which is virtually focused at any point in a region of interest. In this paper, the system that can perform FMC by using a conventional phased array instrument is developed, and a study was conducted on the imaging algorithms to reconstruct sector B-scan and TFM images from FMC dataset.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이번 연구에서는 기존 상용 위상배열장치에 대하여 focal law 수정을 통해 FMC가 가능하도록 구현하고, 기본적인 영상화 알고리즘 연구와 함께, 수집된 데이터를 이용하여 기존 위상배열 초음파와 동등한 결과영상과 TFM 이미지를 영상화하고 기존 결과와 비교하여 그 성능에 대해 확인하고자 하였다.
1과 같이 1개의 소자에서 초음파를 가진시킨 후 전체 압전소자에서 동시에 신호를 저장할 수 있어야 하지만, 현재 상용 시스템에서는 이를 구현하기가 어렵다. 이번 연구에서는 일반 위상배열 음파 시스템에서 FMC 기능을 구현하기 위해서 focal law를 FMC가 가능하도록 변경하는 방법을 선택하였다. TomoView 소프트웨어는 자체 focal law 계산 기능을 가지고도 있지만, 텍스트파일 형태의 focal law 파일을 불러들여 인식할수 있다.

제안 방법

1) 기존 상용 위상배열 초음파장치를 활용하여 focal law를 수정하는 방법으로 통해 FMC 신호수집이 가능하도록 구현하였다. 16개의 압전 소자에 대해 6 Hz의 속도로 FMC 신호 수집이 가능하였다.
FMC결과와 기존 위상배열 초음파 결과와 동등성을 검증하기 위해 기존 방법으로 조향각도를 -45°~45°, 각도분해능 0.5°, 집속거리(FL)를 25 mm, 50 mm, 75 mm, 100 mm로 달리하여 초음파빔을 제어한 sector B-scan 검사를 추가적으로 수행하였다.
신호는 정류(rectified)되지 않은 RF형태의 신호로 취득하였다. 신호 수집 이후 신호를 파일로 추출하고 MATLAB을 이용하여 초음파 영상을 재구성하였다.
계산에 사용한 시간지연값은 기존 초음파시험에서 초음파빔 제어를 위해 PA calculator에서 계산된 시간지연값과 동일하게 사용하였다. 이 때 영상은 기존 기법과 동일한 영상 형태를 얻기 위하여 hilbert 변환을 통해 정류 및 smoothing 처리를 하였다. FMC sector B-scan 결과는 Fig.
이번 연구에서는 위상배열 초음파의 신개념 신호 수집기술인 FMC 기법을 상용 위상배열 초음파장치를 이용하여 구현하고, FMC로 취득된 데이터의 후처리를 통해 sector B-Scan과 TFM 이미지를 영상화하였다. 이를 기존 기법으로 얻어진 결과와 비교하였고, 그 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

대상 데이터

2R9(ZETEC) 버전을 사용하였다. 시험에서 사용한 위상배열 탐촉자는 선형배열 탐촉자로써 Fig. 5와 같으며 기본 사양은 Table 1과 같다. 이번 연구에서는 배열탐촉자의 총 32개 압전소자 중 1번부터 16번까지 16개의 압전소자만 부분적으로 사용하였다.
5와 같으며 기본 사양은 Table 1과 같다. 이번 연구에서는 배열탐촉자의 총 32개 압전소자 중 1번부터 16번까지 16개의 압전소자만 부분적으로 사용하였다.
6, 7과 같다. 재질은 SUS304이며 블록에 직경 1 mm 측면공(side drilled hole)이 가공되어 있다. 탐촉자 중심은 시편 중앙에 모여 있는 5개의 측면공을 중심으로 검사할 수 있도록 위치시켰다.

이론/모형

본 연구에서 FMC 시스템을 구현하기 위해 일반 상용 위상배열 초음파장치인 ZETEC사의 Tomoscan III를 이용하였고, 신호수집에 사용된 소프트웨어는 TomoView2.2R9(ZETEC) 버전을 사용하였다. 시험에서 사용한 위상배열 탐촉자는 선형배열 탐촉자로써 Fig.
이를 위한 focal law는 ZETEC의 advanced PA calculator를 이용하여 계산하였다.

성능/효과

1) 기존 상용 위상배열 초음파장치를 활용하여 focal law를 수정하는 방법으로 통해 FMC 신호수집이 가능하도록 구현하였다. 16개의 압전 소자에 대해 6 Hz의 속도로 FMC 신호 수집이 가능하였다.
2) FMC로 수집된 데이터에 대해 특정 조향각도에서의 A-scan 신호를 비교해 보았을 때 신호의 형상이 동일하였고, sector B-scan 영상을 재구성한 결과 일반적인 위상배열 초음파영상 결과와 동등한 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
3) 모든 지점에 가상적으로 초음파를 집속시킨 결과영상인 TFM 영상을 FMC 데이터 후처리를 통해 재구성한 결과 기존 결과와 대비하여 분해능과 선명도가 향상되었다.
4) FMC 데이터의 영상화는 후처리 기술을 기반으로 하기 때문에, 조향각도 및 집속거리 등 검사조건이 변경되어도 별도의 추가 검사 없이도 후처리를 통해 해당 영상을 구할 수 있었다.
해당 파일을 편집하여 압전소자를 활성화/비활성화시키는 방법을 통해 Table 2와 같은 순서로 신호를 수집하도록 하였다. 비록 한 세트의 FMC 데이터를 수집하기 위해 n²번의 가진과 수신을 수행하기 때문에 가장 최적화 되어 있는 방법은 아니지만 16개 압전소자 배열탐촉자에 대하여 최대 6 Hz의 속도로 FMC신호 수집이 가능하였다. 신호는 정류(rectified)되지 않은 RF형태의 신호로 취득하였다.
13와 같이 위치별 진폭결과를 볼 때 기존 위상배열 초음파 결과는 집속거리에 따라 결함을 분해하는 성능을 달리하지만, TFM는 이와 상관없이 가장 높은 분해능을 가지는 것을 볼 수 있다. 이를 통해 기존 초음파 결과 대비하여 분해능과 선명도가 향상된 것을 확인할 수 있다.
이상의 결과들로부터 FMC 데이터를 이용하여 기존 초음파 결과와 동일한 결과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 TFM 결과를 통해 선명도, 분해능 등의 성능이 향상된 초음파검사 결과영상을 얻을수 있었다.

후속연구

본 연구에서 연구한 위상배열 초음파의 FMC 및 TFM 기술은 다양한 형태의 초음파 영상을 제공하여 결함 특성에 관한 다양한 정보를 획득해 줄뿐만 아니라 기존 결과 대비 분해능과 선명도가 향상된 영상을 획득할 수 있기 때문에 평가자로 하여금 결함 크기 측정 및 판정에 있어 많은 정보를 제공함으로써 검사 신뢰성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	full matrix capture 기술이란 무엇인가?	일반 위상배열 시스템에서는 다수의 압전소자를 가지는 탐촉자의 개별 소자에 인가하는 시간지연을 조절함으로써 초음파빔을 전자적으로 제어하고 초음파 영상을 획득한다. 반면, full matrix capture(FMC) 기술은 위상배열 탐촉자에 대해 하나의 소자에서 초음파를 입사시킨 신호를 모든 압전소자에서 수신하고, 이 방법으로 모든 가능한 송수신 조합의 신호 데이터를 수집하는 방법이다. 이 FMC 데이터는 후처리를 통해 초음파 영상으로 재구성될 수 있으며, 기존 위상배열 초음파 영상과 동등한 영상뿐만 아니라 가상적으로 관심영역의 모든 지점에 집속하여 분해능과 선명도가 향상된 total focusing method(TFM) 영상으로도 합성이 가능하다.
	위상배열 초음파검사는 어떤 문제를 해결하기 위하여 사용되는가?	검사는 결함의 방향성에 따라 검출과 크기 측정에 어려움이 있기 때문에, 검출 확률을 향상시 키기 위해서 부가적인 각도로 검사를 추가적으로 수행하게 되며[1], 이로 인해 많은 시간과 노력을 소모하게 된다. 이러한 한계를 극복하기 위해 제시되는 기술이 위상배열 초음파검사(phased array ultrasonic testing) 기술이다.
	FMC 데이터는 어떻게 이용될 수 있는가?	반면, full matrix capture(FMC) 기술은 위상배열 탐촉자에 대해 하나의 소자에서 초음파를 입사시킨 신호를 모든 압전소자에서 수신하고, 이 방법으로 모든 가능한 송수신 조합의 신호 데이터를 수집하는 방법이다. 이 FMC 데이터는 후처리를 통해 초음파 영상으로 재구성될 수 있으며, 기존 위상배열 초음파 영상과 동등한 영상뿐만 아니라 가상적으로 관심영역의 모든 지점에 집속하여 분해능과 선명도가 향상된 total focusing method(TFM) 영상으로도 합성이 가능하다. 본 논문에서는 일반 위상배열장치를 이용하여 FMC가 가능하도록 시스템을 구현하고, 취득된 FMC 신호로부터 sector B-scan 및 TFM 이미지를 영상화하는 알고리즘에 대한 연구를 수행하였다.

참고문헌 (14)

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Y.-S. Cho and J.-H. Kim, "A small crack length evaluation technique by electronic scanning," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 29, No. 1, pp. 15-20 (2009)
Y.-S. Cho, G.-J. Jung, S.-K. Park and J.-H. Kim, "A study on a crack evaluation technique for turbine blade root using phased array ultrasonics," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 24, No. 2, pp. 151-157 (2004)
B.-S. Yoon, Y.-S. Kim and J.-S. Lee, "Development of the phased array ultrasonic testing technique for nuclear power plant's small bore piping socket weld," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 33, No. 4, pp. 368-375 (2013)

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H. J. Shin, S.-J. Song and Y. H. Jang, "Nondestrucitve inspection of steel structures using phased array ultrasonic technique," Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 20, No. 6, pp. 538-544 (2000)
C. Holmes, B. W. Drinkwater and P. D. Wilcox, "Post-processing of the full matrix of ltrasonic transmit-receive array data for non-destructive evaluation," NDT&E International, Vol. 38, pp. 701-711 (2005)

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P. Tremblay, D. Richard and H. K. Ann, "Development and validation of a full matrix capture solution," Ultrasonic NDE Workshop Proceedings, pp. 85-94 (2012)
A. Bulavinov, R. Pinchuk, S. Pudovikov, "Innovative ultrasonic testing (UT) of nuclear components by sampling phased array with 3D visualization of inspection results," 8th International Conference on NDE in Relation to Structural Integrity for Nuclear and Pressurised Components, pp. 1-8 (2010)
K. Nakahata, M. Hirata and S. Hirose, "Flaw reconstruction from scattering amplitude using full-waveform sampling and processing," Journal of The Japanese Society for Non-Destructive Inspection, Vol. 59, No. 6, pp. 277-283 (2010)
A. Bulavinov and M. Kroning, "Real-time quantitative ultrasonic inspection," IV Conferencia Panamericana de END Buenos Aires, pp.1-15 (2007)
T. H. Lee, B. S. Yoon and G. Y. Moon, "Synthesis of Ultrasonic image Using Signals Acquired by Full Matrix Capture," Proceedings of KSNT Spring Conference, pp. 385-392 (2014)
S. Robert, O. Casula, M. Njiki and O. Roy, "Assessment of real-time techniques for ultrasonic non-destructive testing," Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation, Vol. 31, pp. 1960-1967 (2012)
M. V. Felicen, A. Velichko and P. D. Wilcox, "Accurate depth measurement of small surfacebreaking cracks using an ultrasonic array postprocessing technique," NDT&E International, Vol. 68, pp. 105-112 (2014)

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P. D. Wilcox, C. Holmes and B. W. Drinkwater, "Advanced reflector characterization with ultrasonic phased arrays in NDE applications," IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Vol. 54, No. 8, pp. 1541-1550 (2007)

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