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Advanced ultrasonic imaging for concrete: Alternative imaging conditions for reverse time migration
(2018)
Ultrasound echo is a widely used NDT technique for determining the internal geometry of structures. Reverse-time migration (RTM) has been recently introduced to NDT applications, as an imaging method for ultrasound data, to overcome some of the limitations (e.g. imaging steeply dipping reflector) experienced by the Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT), the most commonly used imaging algorithm for these measurements.
The standard implementation of RTM also experiences some drawbacks caused by its imaging condition, which is based on the zero-lag of the cross-correlation between source and receiver wavefields and generates high-amplitude low-frequency artifacts. Three alternative imaging conditions, developed for seismic data applications, were tested for their ability to provide better images than the standard cross-correlation: illumination compensation, deconvolution and wavefield decomposition. A polyamide specimen was chosen for the simulation of a synthetic experiment and for real data acquisition. The migrations of both synthetic and real data were performed with the software Madagascar. The illumination imaging condition was able to reduce the low-frequency noise and had a good performance in terms of computing time. The deconvolution improved the resolution in the synthetic tests, but did not showed such benefit for the real experiments. Finally, as for the wavefield decomposition, although it presented some advantages in terms of attenuating the low-frequency noise and some unwanted reflections, it was not able to image the internal structure of the polyamide as well as the cross-correlation did. Suggestions on how to improve the cost-effectiveness of the implementation of the deconvolution and wavefield decomposition were presented, as well as possible investigations that could be carried out in the future, in order to obtain better results with those two imaging conditions.
The ultrasonic echo technique is a frequently used method in non destructive testing for geometry Determination of concrete building elements. Important tasks are thickness measurements as well as the localization and characterization of built-in components and inhomogeneities.
Currently mainly the synthetic aperture focusing family of techniques (SAFT) is used for imaging. These algorithms have difficulties in imaging steeply dipping interfaces and complicated structures such as steps and lower boundaries of voids. As an alternative two geophysical migration methods, pre-stack Kirchhoff depth migration and pre-stack Reversetimemigration (RTM)were tested in this paper at a reinforced concrete foundation slab. The slab consists of various reinforcement contents, different thicknesses and two pile heads.
In a first step, both methods were evaluated with synthetic 2D data. In the second step, ultrasonic measurement data recorded with shear wave transducers on a line profile on the foundation slab were processed. The use of an automatic scanner simplified the measurements. A comparison of the geophysical migration results with those of SAFT shows, in particular for RTM, a significant improvement in the Imaging of the geometry of the foundation slab. Vertical borders were reconstructed and the location and structure of the lower boundary of the foundation slab were reproduced better. Limitations still exist in imaging the piles below the slab.
Defect detection in concrete pile using impulse response measurements with sine sweep excitations
(2015)
For pile integrity inspection, a low cost and portable shaker was used to create the sine sweep signal for pile excitation. The impulse response function, calculated by the deconvolution of pile response from the sine sweep excitation, was proposed to identify the echoes in the piles due to the pile’s impedance changes. The proposed methodology has been evaluated and validated both numerically and experimentally. Based on the results from the simulations and experiments, it was found that the impulse response measurement with sine sweep excitation could be an effective tool to detect the echoes of the pile toe and the defects in the pile.
Anwendung der Reverse-Time Migration auf Ultraschall-Echo-Daten in der zerstörungsfreien Prüfung
(2017)
Das Ultraschall-Echo-Verfahren ist eine klassische zerstörungsfreie Prüftechnik zur Bestimmung der Geometrie von Bauteilen. Die Prüfaufgaben beinhalten unter anderem die korrekte Dickenbestimmung der Baukörper sowie die Lokalisierung von Einbauteilen und Fehlstellen. Stand der Technik bei den Abbildungsverfahren ist die SAFT-Rekonstruktion (Synthetic Aperture Focusing Technique). Diese Gruppe von Verfahren weist Schwierigkeiten bei der Darstellung von steilen Grenzflächen und komplizierten Strukturen auf, wie beispielsweise Stufen oder Unterkanten von Hüllrohren. Zudem verarbeiten die SAFT-Verfahren nur die primären Reflexionen am abzubildendem Objekt korrekt. Als Alternative wird seit einiger Zeit die Reverse-Time Migration (RTM) aus dem Bereich der Geophysik evaluiert. Diese beruht auf der numerischen Lösung der vollständigen Wellengleichung. Die migrierte Abbildung wird durch Kreuzkorrelation von zeitlich vorwärts- und rückwärtsmodellierten Wellenfeldern erzeugt.
Für die Durchführung der RTM wurde in einer Vorarbeit ein 2D akustischer Code verwendet und an realen Ultraschallmessdaten getestet. Letztere wurden mit Scherwellenprüfköpfen an einem Stahlbetonfundament aufgenommen. Ein Vergleich der Migrationsergebnisse mit den Ergebnissen der SAFT-Rekonstruktion zeigte für die RTM einen deutlichen Fortschritt in der Rekonstruktion der Bauteilgeometrie.
Derzeit wird vom akustischen Code auf einen elastischen Code umgestellt, da für die eigentlichen Ultraschallmessungen elastische Wellen angeregt werden. In einem ersten Schritt wurde dies mit dem Softwarepaket Madagascar umgesetzt und an einem einfachen 2D-Modell getestet. Dabei fanden verschiedene Quellanregungen Anwendung. Um Migrationsartefakte zu reduzieren wurden weiterhin zwei Abbildungsbedingungen getestet. Die Kreuzkorrelation der Verschiebungskomponenten der zeitlich vorwärts-und rückwärtsmodellierten Wellenfelder wurde mit der Kreuzkorrelation der Skalar- und Vektorpotentiale beider Wellenfelder verglichen.
Im zweiten Schritt wurden Ultraschallmessdaten an einer Stufenplatte aufgenommen und mit dem akustischen sowie elastischen 2D Code evaluiert. Diese erste Anwendung der elastischen RTM auf reale Messdaten war erfolgreich und zeigt im Vergleich zu der akustischen Auswertung eine Verbesserung in der Abbildungsqualität.
Das Ultraschall-Echo-Verfahren ist eine wichtige Methode der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP). Prüfaufgaben im Bauwesen beinhalten unter anderem die korrekte Dickenbestimmung von Konstruktionen, sowie die Lokalisierung von Einbauteilen und Fehlstellen. Das Abbildungsverfahren RTM (Reverse Time Migration) liefert oft bessere Bilder als konventionelle Verfahren. Die Datenaufnahme am Betonprobekörper erfolgte mit einem Scannersystem der BAM, bei dem jeweils ein Ultraschall-Prüfkopf als Sender bzw. Empfänger diente. Es wurden senkrecht zur Profilrichtung horizontal polarisierte Scherwellen genutzt. Die RTM wurde mit dem Softwarepaket Madagascar gerechnet.
Die Ergebnis zeigt das Potential dieser Methode im Bezug auf komplexe Strukturen. Die lateralen Positionen der Risse im RTM-Bild sowie deren Höhe innerhalb des Probekörpers, entsprechen recht genau dem visuellen Befund.
Das Ultraschall-Echo-Verfahren ist eine klassische zerstörungsfreie Prüftechnik zur Geometriebestimmung sowie Schadensanalyse von Betonkonstruktionen. Um die Abbildung der Ultraschalldaten von komplexen Betonstrukturen zu verbessern, haben wir die Reverse-Time Migration (RTM) aus der Seismik auf die zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen übertragen. In einer Vorstudie haben wir einen 2D akustischen RTM Code verwendet und an realen Ultraschalldaten, die an einer Betonfundamentplatte aufgenommen wurden, getestet. Im Vergleich mit dem herkömmlichen Rekonstruktionsalgorithmus für Ultraschalldaten, der Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT), zeigten die akustischen RTM-Ergebnisse eine deutliche Verbesserung in der Abbildung der inneren Struktur der Betonfundamentplatte. Vertikale Reflektoren konnten rekonstruiert werden, was mit dem herkömmlichen Abbildungsverfahren nicht möglich war. RTM ist, im Gegensatz zu SAFT, eine wellengleichungsbasierte Migrationsmethode und beruht auf der numerischen Lösung der vollständigen Wellengleichung. Die Vorteile sind, dass der Algorithmus sämtliche Informationen des Wellenfeldes verwendet und daher verschiedene Welleneffekte wie z.B. Multipathing berücksichtigt werden können. Die RTM bietet damit die Möglichkeit auch stark geneigte Reflektoren sowie Streukörper mit komplexen Geometrien darzustellen. Ein Nachteil ist jedoch die lange Rechenzeit und der hohe Bedarf an Speicherkapazität. Ein RTM-Algorithmus, der die elastische Wellengleichung anstatt der akustischen verwendet (wie in unserer Vorstudie angewandt), hat das Potenzial, die Abbildungsergebnisse noch weiter zu optimieren. Das liegt daran, dass unsere Ultraschallmessdaten durch Anregung elastischer Wellen generiert werden. In einem ersten Schritt haben wir zwei elastische 2D-RTM-Algorithmen an synthetischen Ultraschalldaten getestet. Diese wurden mit einem Betonmodell, bestehend aus mehreren Stufen und kreisförmigen Lufteinschlüssen, erzeugt. In einem zweiten Schritt wurden reale Ultraschalldaten mit Scherwellenprüfköpfen an einer Betonstufenplatte mit integrierten Hüllrohren aufgenommen. Die Auswertung der realen Daten mit unserem elastischen RTM-Code war ebenfalls erfolgreich. Wir konnten die Abbildungsqualität der Stufen und Hüllrohre im Vergleich zur akustischen RTM und SAFT verbessern.