Sentetik Aklkl Odaklanma Teknii ile Ultrasonik Konum Netletirme

Ultrasonic Location Clarification Using Synthetic Aperture Focusing Technique

Cemil ALTIN1, M. Serdar Bascil

1, Mcella ZBAY KARAKU

2, Orhan ER

1

1Elektrik Elektronik Mhendislii

Bozok niversitesi {cemil.altin, serdar.bascil, orhan.er}@bozok.edu.tr

2Bilgisayar Mhendislii

Bozok niversitesi mucella.karakus@bozok.edu.tr

zet

Bu almada Sentetik Aklkl Odaklanma Teknii ve Kaiser

penceresi kullanlarak ultrasonik konum netletirme

yaplmtr. ncelikle tarama alanndaki cisimlere parlaklk-

taramas (B-Scan) yaplm ve cisimlerin yaklak konumlarn

ifade eden ham veri ile cisim konumlar resmedilmitir.

almada Roland DXY-1300-1200-1100 marka ve modelde

plottera monte edilmi Devantech SRF04 marka ve model

ultrasonik sensr kullanlm olup plotter yardmyla x

ekseninde 1 cm aralklarla 76 noktadan ultrasonik tarama

yaplarak tarama alannda ki 2 adet cismin ultrasonik verileri

alnmtr. Ham ultrasonik veriden elde edilen resimde

cisimlerin konumlar net olmamakla birlikte resimde

grltler de bulunmaktadr. Bu nedenle bu ham verilerin

ilenip konumlarn daha net ifade edildii ve grltlerden

arndrlm yeni resimlerinin elde edilmesi gerekmektedir. Bu

dzenlenmi yeni resimlerin elde edilmesi Sentetik Aklkl

Odaklanma Teknii ile yaplmtr teknik uygulanrken

pencereleme tekniklerinden de faydalanlmtr. Pencereleme

teknii olarak Kaiser penceresi kullanlmtr. Kullanlan

btn teknikler ile ilgili net teorik bilgiler alma ierisinde

mevcut olup ham ultrasonik verilerle elde edilen resim ile

Sentetik Aklkl Odaklanma teknii ile ilenmi yeni resim

kyaslanarak farkllklar ve netlemeler gzlemlenmitir.

Abstract

In this work ultrasonic location clarification is made by using

Synthetic Aperture Focusing Technique(SAFT) and using

Kaiser windowing. Firstly ultrasonic brightness scan (B-Scan)

is applied in the scanning area and the approximate locations

of the objects are pictured with raw ultrasonic data. In the

work Devantech SRF04 ultrasonic sensor which is mounted on

Roland DXY-1300-1200-1100 plotter is used to get ultrasonic

data and plotter scanned the x-axis by 1 cm intervals during

76 points to get the ultrasonic data of two objects located in

the scanning area. Locations of the objects in the Picture

formed by raw ultrasonic data is not clear and has noise.

Because of this the Picture formed by raw ultrasonic data

should be procesed to get new Picture which shows the clear

location of the objects. In order to realize clarification process

SAFT and Kaiser windowing techniques are used. Theoretical

informations about the techniques used are described in the

work and the differences and clarifications between SAFT

applied Picture and raw Picture are observed.

1. Giri

nsanlk tarihinde insanolu doal eksikliklerin bilim ve

teknoloji ile alabileceini kantlamtr. Bunun en nemli

rneklerinden biri ultrasonik grntlemedir. Bizler

beynimizde oluan grnty gzlerimiz tarafndan

gnderilen elektromanyetik dalgalar vastasyla olutururuz.

Fakat yarasalar, balinalar, ve yunus balklarnn ses vastasyla

grme yetenekleri vardr. Yarasalar yer tayini, mesafe tayini

ve nesnelerin tanmlanmasn yksek frekansl ses dalgalar

yayp bu dalgalarn yansmasn dinleyerek

gerekletirmektedirler. nsanolu doal olarak ses vastasyla

beyninde grnt oluturmada ok baarl deildir. Buna

ramen bizler yukarda bahsi geen hayvanlarn kulland ses

ile grnt oluturma yntemlerini ok basitte olsa

kullanabilmekteyiz. rnein bir odada veya karmzda duran

bir duvara barp geri yansyan ses dalgamz dinleyerek

odann bykln veya duvarn uzakln beynimizde

oluturabiliyoruz. Bu prensip birinci dnya savanda ki

denizaltlarn su altnda navigasyonu iin ilk yank

navigasyonu sisteminin gelimesine zemin olan prensiptir.[1]

Bu tekniin ismi Sentetik Aklkl Grntleme tekniidir.

Bu teknik fiziksel bir mercei modelleme adna transdserin

farkl konumlardan alglad ultrasonik sinyallerin tutarl

biimde toplanmas esasna dayanmaktadr. Sentetik Aklkl

Grntleme tekniinin kullanld birok alan mevcuttur

1950 lerde gelitirilen ilk radar sistemlerinden, medikal tehis,

sismik keifler, ve tahribatsz deneylere kadar birok alanda

kullanlmaktadr.[2]

Bu almada kullanlan Sentetik Aklkl Odaklanma teknii

ise Sentetik Aklkl Grntleme tekniinin bir

versiyonudur. almann bundan sonraki ksmnda adnn

uzunluu nedeniyle Sentetik Aklkl Odaklanma Teknii

yazmak yerine ngilizce ksaltmas ve literatrdeki ismi olan

SAFT (Synthetic Aperture Focusing Technique) kelimesi

kullanlacaktr. SAFT n en byk avantaj ayn anda btn

noktalara odaklanabilmesidir.

ELECO '2012 Elektrik - Elektronik ve Bilgisayar Mhendislii Sempozyumu, 29 Kasm - 01 Aralk 2012, Bursa

650

PackardbellNew Stamp

2. Teori

almann teori ksmnda ultrasonik sensrlerin alma

prensibinden, ultrasonik grntleme yntemi olan SAFT tan

ve SAFT ile birlikte kullanlan pencereleme tekniklerinden

bahsedilmektedir.

2.1. Ultrasonik Sensrlerin alma Prensibi

Ultrasonik sensrlerin alma prensibi ses dalgalarnn yaylp

etrafta bulunan cisimlere arptrlp geri dnen ses dalgalarnn

alglanmas esasna dayanmaktadr. Mesafe hesab yapmak

basitedir. Ses dalgas yaylp dalgann geri geldii

alglandktan sonra mesafe hesab aada ki forml sayesinde

yaplr.[3]

(1)

Ses hz 344 m/s (20C de).[4]

2.2. Sentetik Aklkl Grntleme Teknii

Bir ultrasonik sensr tarama alannda ki bir cismi taradnda

cismin B-Scan (Brightness Scan) yani parlaklk taramasn

yapm olur. Bu taramann mant ultrasonik bir darbenin

tarama annda taranan alana gnderilip darbenin geri

yansmas sonucu elde edilen darbe genliinin bir parlaklk

edeeri olmasdr. Burada genlii en byk darbe en parlak

genlii en kk olan darbe ise parlakl en az olan ve siyaha

yakn tondur. Yani tarama alannda ki bir cismin parlaklk

taramas ile oluturulan grnts tarama srasnda her bir

pozisyondan alnan darbe-yansma yaklam ile elde edilir.

Ne var ki bu saf parlaklk taramas verilerinin ilenerek

cisimleri daha net ifade edebilen yeni bir grntnn

oluturulmas gerekmektedir. ekil 1 parlaklk taramasnn (B-

Scan) nasl yapldn gstermektedir.

ekil 1: Parlaklk taramasnda ki hiperbolik erilerin oluumu.

ekil 1 de grld gibi transdser A pozisyonundayken O

noktasnda ki hedeften bir yank alr ve bu yanky sanki

= olan yani dorudan kendi hizasnda ki bir noktasndan alyormu varsayar. Sensre yaknlk ne kadar artarsa oluan hiperboller o kadar daralr ve keskinleir.[5]

Sensre uzaklk ne kadar artarsa da oluan hiperboller o kadar

geniler. Bunlarn yannda oluan hiperbollerin genilii

transdserin kulak geniliine de baldr. Parlaklk

taramasnda ki hiperbollerin oluma sebebi ise tarama

esnasnda transdserin farkl konumlarnda ki cisimlere arpp

gelen yanklarn transdsere varma srelerinin farkl

olmasndan dolaydr. Hiperbolik rnekler transdserin

konumundan yanstcnn(cismin) bulunduu noktaya olan

uzakl veya zaman gecikmesini aklar.[6] SAFT algoritmas

yeni grnty olutururken oluan bu hiperbolik rnekleri

hesaba katarak ilem yapar. Basit olarak SAFT n yapt

ilem udur, parlaklk taramas ile oluturulan grntde ki

btn pikseller taranr ve taranan pikselde bir yanstc(cisim)

olsayd oluacak hiperboln ekli nasl olurdu eklinde bir

varsaym yaplr. Daha sonra rnek hiperbol o pikselde

gerekten yanstc(cisim) olup olmadn saptamak iin

etrafnda ki piksellerle kyaslanabilir.

2.3. Sentetik Aklkl Odaklanma Teknii(SAFT)

Bu blmde SAFT algoritmas detayl bir biimde

aklanacaktr. ekil 2 de grld gibi SAFT iin gerekli

dzlem x-z dzlemidir. ncelikle tarama alannda u

koordinatta bir yanstc(cisim) olduu kabul

edilmitir. Transdser noktasndan ultrases dalgas yayar yaylan bu ses dalgas cisme arpp geri

yansyana kadar geen sre aada ki forml ile hesaplanr.

(3)

ekil 2: SAFT n geometrisi

Bu denklemde c ses hzdr. Yaylan dalga ise ve geri yanstlan dalgann orijinal dalgann biraz gecikmi veya

leklenmi hali olabilecei kabul edilirse alglanan geri

yansm dalgann denklemi aada ki gibidir

(4)

Burada geri salm katsaysdr. Btn ikinci ve daha

yksek dereceli salmlar ihmal edilerek, tarama alannda ki

yanstclar(cisimler) topluluundan transdserin konumunda ald geri yansm yanknn ifadesi u ekildedir

(5)

Tarama alannda ki btn noktalara odaklanlarak yeniden

oluturulmu grnt transdserin btn pozisyonlarnda ki

verilerin toplam olarak ifade edilir

(6)

Burada transdser tarafndan gnderilen ve alnan sinyalde ki faz kaymasn telafi etmek iin kullanlan filtredir.

Yeni grnt oluturulurken yan kulak grltlerini azaltmak

iin apodizasyon arl kullanlabilir. Apodizasyon

ELECO '2012 Elektrik - Elektronik ve Bilgisayar Mhendislii Sempozyumu, 29 Kasm - 01 Aralk 2012, Bursa

651

arlndan bir sonra ki blmde daha ayrntl

bahsedilecektir.

(7)

SAFT n bu zaman domeninde ki uygulamasnn bir

dezavantaj vardr o da ses hznn sabit oluudur.[2]

Normalde alnan sinyaller saysallatrlr ve ayrk versiyon u

ekilde elde edilir: ilk olarak yi transdserin tarama ynnde ki ardk konumlar arasnda ki mesafeyi temsil etmesi iin

atayalm. Sonra transdserin her konumundan uzunluunda bir data vektr alnrsa parlaklk taramas matrisi olan boyutlu matris oluturulmu olur. Daha sonra SAFT n oluturduu yeni

grnty temsil etmesi iin matrisi oluturalm o matrisi zerinde ki ters gen grntnn yeniden oluturulduunu

ifade etmektedir. Yeniden oluturulmu grnt rneklenen

konumsal noktalarda u deerleri almaktadr ve , (m=0,1,,M-1) burada (c=ses hz ve rnekleme periyodudur). SAFT algoritmas grntnn her pikseline ait yansma gecikmesini telafi ederek grnty

yeniden oluturur. Bu olay hiperboller boyunca 2K+1 adet

terimin toplanmasyla oluturulur.[7]

(8)

Ayrk zaman vektr indisi , transdser pozisyonu ile gzlem noktas ( arasnda ki mesafenin bir fonksiyonudur ve aada ki gibi tanmlanr.

(9)

Sinyal ayrk olduundan faz kaymas en yakn rnekleme

noktasna yuvarlanmaldr ki buda az da olsa grltlere sebep

olmaktadr. Bu grltleri telafi etmek iin interpolasyon

tekniklerinden faydalanlmaldr. operatr k nn en yakn tamsayya yuvarlandn gstermektedir. [6]

2.4. Pencereleme Teknikleri

Pencereleme teknikleri yan kulak grltlerini bastrmak iin

kullanlan yntemlerdir. Balca pencereleme fonksiyonlar

unlardr.

Dikdrtgensel pencere Dikdrtgensel fonksiyon tanmland aralkta btn

rnekleri 1 dir ve sinyalin budanmasn salar.

gensel, Bartlett pencereleri Bu pencereleme fonksiyonlar zaman domeninde

gen eklinde olan fonksiyonlardr. gensel pencere

sfr olmayan deerlerle balar ve biter, Bartlett

fonksiyonu ise sfr ile balar ve biter.

Blackman, Hamming, Hann pencereleri Pencere fonksiyonlar 2. ve 3. Dereceden kosins

polinomlarndan oluur.

Kaiser, Chebyshev, Gauss pencereleri zel polinomlarla oluturulan daha gelimi

pencereleme fonksiyonlardr.

Hangi pencereleme ynteminin kullanlaca ilenecek

sinyalin tipine ve uygulamaya baldr. Yan kulak grltleri

iin pencerenin genliini kltmek daima tercih edilir. Ana

kulan daraltlmas ise yksek znrlk meydana getirir.

Dikdrtgensel pencere en dar ana kulaa neden olurken yan

kulak grltlerini bastrmada zayftr. Hann ve Hamming

pencereleri yan kulak grltlerini iyi birekilde bastrrken

geni bir ana kulaa neden olur. Kaiser penceresinde filtrenin

uzunluu geirilecek bantgeniliini ayarlarken, bant geiren

ve bantbastran filtrede ki dalgalanmay kontrol eden

deitirilebilir parametreleri nedeniyle ok esnekdir.[8]

ekil 3: Pencereleme fonksiyonlar

ekil 3 de grld gibi yukarda bahsi geen pencereleme

fonksiyonlar izdirilmitir. Bunlardan Hamming(mavi),

Hanning(krmz), dikdrtgensel(sar), gensel(yeil),

Blackmann(pembe) ve Kaiser(siyah) olandr. Daha nce de

bahsedildii gibi bu almada pencereleme teknii olarak

kaiser penceresi kullanlmtr.

3. Sonular

Bu blmde deneysel sonularmzn deerlendirmesi

yaplacaktr. Kullandmz ultrasonik sensrle x ekseninde 76

noktadan veri alnmtr x ekseninde her noktadan alnan

veriler 1024 rnekten oluan bir data vektr biimindedir.

Tarama alannda ise 2 adet tahta kalemi bulunmaktadr. Daha

sonra bu veriler matrisini oluturacak ekilde 1024x76 lk matris eklinde dzenlenip ilemlere devam

edilmitir. Oluturulan bu matrise SAFT algoritmas

uygulanm ve yeni grnt ile eski grnt ekil 4 te ki gibi

kyaslanmtr.

ekil 4: Ham veri ile izilmi ve SAFT uygulanm grntler

ekillerde grld zere ayrk zaman vektr indisi k nn en

yakn tamsayya yuvarlanmas sonucu oluacak hatalar telafi

etmek iin 4 kat interpolasyon yaplmtr yani transdserin

her x konumundan ald 1024 rnekli data vektr ayn

alanda 4096 veriden oluan data vektr haline getirilmitir.

Ham verilerden elde edilen izimlerde 2 adet tahta kaleminin

konumlar net deildir ancak SAFT algoritmas uygulandktan

sonra kalemlerin konumlar nemli derecede netletirilmitir.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 110

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

SAFT uygulamasindan once

x ekseni boyunca taranan mesafe

rn

ekle

me a

ral

10 20 30 40 50 60 70

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

SAFT uygulamasindan sonra

x ekseni boyunca taranan mesafe

rn

ekle

me a

ral

10 20 30 40 50 60 70

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

ELECO '2012 Elektrik - Elektronik ve Bilgisayar Mhendislii Sempozyumu, 29 Kasm - 01 Aralk 2012, Bursa

652

Yan kulak grltlerini yok etmek iin Kaiser penceresi

kullanlm ve grnt grltlerden arndrlmtr.

4. Teekkr

Bu almada ki ultrasonik verilerin alnmasnda

yararlanlan Dalarna niversitesi/sve lme sistemleri

laboratuarna ve teorik bilgilerinden yararlanlan Per

Liljas a teekkr ederiz

5. Kaynaklar

[1] Diaz, M.A., Leija, L. ve Vera, A., "Image Reconstruction Using the Synthetic Aperture Focusing

Technique", PAHCE conference, Sayfa 15-18

[2] Barkefors, A. , 3D Synthetic Aperture Technique for Ultrasonic Imaging, Uppsala/Sweden, 2010.

[3] http://classes.engr.oregonstate.edu/eecs/spring2003/ece44x/groups/g14/white%20papers/whitepaper_matt.htm

(eriim tarihi 27/06/2012)

[4] Murata Manufacturing Co.Ltd. Cat.No.S15E-5 Ultrasonic Sensor Application Manual

[5] Stepinski, T., Synthetic Aperture Focusing Technique in Ultrasonic Inspection of Coarse Grained Materials, SKI

Report, Uppsala/Sweden, 2007.

[6] Lingvall, F., Time Domain Reconstruction Methods for Ultrasonic Array Imaging, Thesis Work, Uppsala

University, 2004.

[7] Lingvall, F., Olofsson, T. ve Stepinski, T., "Synthetic Aperture Imaging Using Sources With Finite Aperture:

Deconvolution of the Spatial Impulse Response",

Acoustical Society of America,2003, Sayfa 225-234.

[8] http://home.vxu.se/jveme03/docs/draft_I_thesis.pdf (eriim tarihi 27/06/2012)

ELECO '2012 Elektrik - Elektronik ve Bilgisayar Mhendislii Sempozyumu, 29 Kasm - 01 Aralk 2012, Bursa

653