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Die Thermografie ist trotz ihrer ausgereiften wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen ein noch relativ junges Mitglied in der Familie der zerstörungsfreien Prüfverfahren. Sie erschließt sich aufgrund einer Reihe von Vorzügen eine wachsende Anwenderschaft. Für eine weitere Verbreitung insbesondere im industriellen Kontext spielen Normen, Standards und Richtlinien eine wichtige Rolle. In diesem Beitrag wird der aktuelle Stand der Normierung vorgestellt. Wir werden zeigen, welche Grundlagennormen und Anwendungsnormen es für die Thermografie in Deutschland und international gibt und wir wagen einen Blick in die Zukunft. Darüber hinaus lebt auch die Normierungsarbeit von der Beteiligung durch interessierte Kreise. Dies können industrielle und akademische Anwender*innen, Hersteller*innen von Geräten, Forschungseinrichtungen oder Dienstleistungsunternehmen sein. Sie können gern Ihre Bedarfe bezüglich Normierungsprojekten mitbringen und/oder direkt an die Autoren senden.
This article presents deep unfolding neural networks to handle inverse problems in photothermal radiometry enabling super-resolution (SR) imaging. The photothermal SR approach is a well-known technique to overcome the spatial resolution limitation in photothermal imaging by extracting high-frequency spatial components based on the deconvolution with the thermal point spread function (PSF). However, stable deconvolution can only be achieved by using the sparse structure of defect patterns, which often requires tedious, handcrafted tuning of hyperparameters and results in computationally intensive algorithms. On this account, this article proposes Photothermal-SR-Net, which performs deconvolution by deep unfolding considering the underlying physics. Since defects appear sparsely in materials, our approach includes trained block-sparsity thresholding in each convolutional layer. This enables to super-resolve 2-D thermal images for nondestructive testing (NDT) with a substantially improved convergence rate compared to classic approaches. The performance of the proposed approach is evaluated on various deep unfolding and thresholding approaches. Furthermore, we explored how to increase the reconstruction quality and the computational performance. Thereby, it was found that the computing time for creating high-resolution images could be significantly reduced without decreasing the reconstruction quality by using pixel binning as a preprocessing step.
Learned block iterative shrinkage thresholding algorithm for photothermal super resolution imaging
(2022)
Block-sparse regularization is already well known in active thermal imaging and is used for multiple-measurement-based inverse problems. The main bottleneck of this method is the choice of regularization parameters which differs for each experiment. We show the benefits of using a learned block iterative shrinkage thresholding algorithm (LBISTA) that is able to learn the choice of regularization parameters, without the need to manually select them. In addition, LBISTA enables the determination of a suitable weight matrix to solve the underlying inverse problem. Therefore, in this paper we present LBISTA and compare it with state-of-the-art block iterative shrinkage thresholding using synthetically generated and experimental test data from active thermography for defect reconstruction. Our results show that the use of the learned block-sparse optimization approach provides smaller normalized mean square errors for a small fixed number of iterations. Thus, this allows us to improve the convergence speed and only needs a few iterations to generate accurate defect reconstruction in photothermal super-resolution imaging.
Für die aktive Thermografie als zerstörungsfreie Prüfmethode galt lange Zeit die Faustformel, dass die Auflösung interner Defekte/Inhomogenitäten auf ein Verhältnis von Defekttiefe/Defektgröße ≤ 1 beschränkt ist. Die Ursache hierfür liegt in der diffusiven Natur der Wärmeleitung in Festkörpern. Sogenannte Super-Resolution-Ansätze erlauben seit Kurzem die Überwindung dieser physikalischen Grenze um ein Vielfaches. Damit ergibt sich die attraktive Möglichkeit die Thermografie von einem rein oberflächensensitiven Prüfverfahren hin zu einem Verfahren mit verbesserter Tiefenreichweite zu entwickeln. Wie weit diese Entwicklung getrieben werden kann, ist Gegenstand aktueller Forschung.
Wir konnten bereits zeigen, dass diese klassische Grenze für 1D- und 2D Defektgeometrien mit Hilfe des Abscannens des Prüfkörpers mittels einzelner Laserspots und der anschließenden Anwendung von photothermischer Super-Resolution-Rekonstruktion überwunden werden kann. Bei dieser Methode wird eine Kombination aus sequenzieller räumlich strukturierter Beleuchtung und numerischen Optimierungsmethoden eingesetzt. Dies geschieht allerdings auf Kosten der experimentellen Komplexität, die zu einer langen Messdauer, großen Datensätzen und langwieriger numerischer Auswertung führt.
In dieser Arbeit berichten wir über einen neuen experimentellen Ansatz, bei dem räumlich strukturierte 2D-Beleuchtungsmuster in Verbindung mit Compressed-Sensing und Computational-Imaging-Methoden verwendet werden, um die experimentelle Komplexität deutlich zu verringern und die Methode für die Untersuchung größerer Prüfflächen nutzbar zu machen.
Der experimentelle Ansatz basiert dabei auf der wiederholten (blinden) photothermischen Anregung mit räumlich strukturierten 2D-Mustern unter Verwendung moderner Projektortechnik und eines Hochleistungslasers. In der anschließenden numerischen Rekonstruktion werden mehrere Messungen unter Ausnutzung der Joint-Sparsity der Defekte innerhalb des Prüfkörpers mittels nichtlinearer konvexer Optimierungsmethoden kombiniert. Als Ergebnis kann eine 2D-sparse Defekt-/Inhomogenitätskarte erstellt werden.
Das thermografische Nachweisprinzip beruht auf der Analyse von instationären Temperaturverteilungen, welche durch die Wechselwirkung eines von außen zugeführten Wärmestroms mit der inneren Geometrie des Prüfobjekts oder mit darin eingeschlossenen Inhomogenitäten verursacht werden. Eine äquivalente Beschreibung dieses wechselwirkenden Wärmestroms ist die Ausbreitung von Wärmewellen im Inneren des Prüfobjekts. Obwohl die Thermografie für die Erkennung einer Vielzahl von Inhomogenitäten und für die Prüfung verschiedenster Materialien geeignet ist, besteht die grundlegende Einschränkung in der diffusen Natur der Wärmewellen und der Notwendigkeit, ihre Wirkung nur an der Prüfobjektoberfläche radiometrisch messen zu können. Der fundamentale Nachteil von diffusen Wärmewellen gegenüber propagierenden Wellen, wie sie z. B. im Ultraschall vorkommen, ist die dadurch verursachte schnelle Verschlechterung der räumlichen Auflösung mit zunehmender Defekttiefe. Diese Verschlechterung schränkt in der Regel die Anwendbarkeit der Thermografie bei der Suche nach kleinen tiefliegenden Defekten ein.
Ein vielversprechender Ansatz zur Verbesserung der räumlichen Auflösung und damit der Erkennungsempfindlichkeit und der Rekonstruktionsqualität in der thermografischen Prüfung liegt in der speziellen Formung dieser diffusen Wärmewellenfelder mittels strukturierter Laserthermografie bzw. photothermischer Anregung. Einige Beispiele sind:
- Schmale rissartige Defekte unterhalb der Oberfläche können durch Überlagerung mehrerer interferierender Wärmewellenfelder mit hoher Empfindlichkeit detektiert werden,
- Nahe beieinander liegende Defekte können durch mehrere Messungen mit unterschiedlichen Heizstrukturen getrennt werden,
- Defekte in unterschiedlichen Tiefen können durch eine optimierte zeitliche Gestaltung der thermischen Anregungsfunktion unterschieden werden,
- Schmale Risse auf der Oberfläche können durch robotergestütztes Scannen mit fokussierten Laserspots gefunden werden,
- Defekte, die während der additiven Fertigung auftreten, können bereits im Bauraum und mit dem Fertigungslaser detektiert werden.
Wir präsentieren die neuesten Ergebnisse dieser Technologie, die mit Hochleistungslasersystemen und modernen numerischen Methoden erzielt wurden.
Thermographic non-destructive testing is based on the interaction of thermal waves with inhomogeneities. The propagation of thermal waves from the heat source to the inhomogeneity and to the detection surface according to the thermal diffusion equation leads to the fact that two closely spaced defects can be incorrectly detected as one defect in the measured thermogram. In order to break this spatial resolution limit (super resolution), the combination of spatially structured heating and numerical methods of compressed sensing can be used. The improvement of the spatial resolution for defect detection then depends in the classical sense directly on the number of measurements. Current practical implementations of this super resolution detection still suffer from long measurement times, since not only the achievable resolution depends on performing multiple measurements, but due to the use of single spot laser sources or laser arrays with low pixel count, also the scanning process itself is quite slow. With the application of most recent high-power digital micromirror device (DMD) based laser projector technology this issue can now be overcome.
Due to the diffusive nature of heat propagation in solids, the detection and resolution of internal defects with active thermography based non-destructive testing is commonly limited to a defect-depth-to-defect-size ratio greater than or equal to one. In the more recent past, we have already demonstrated that this limitation can be overcome by using a spatially modulated illumination source and photothermal super resolution-based reconstruction. Furthermore, by relying on compressed sensing and computational imaging methods we were able to significantly reduce the experimental complexity to make the method viable for investigating larger regions of interest. In this work we share our progress on improving the defect/inhomogeneity characterization using fully 2D spatially structured illumination patterns instead of scanning with a single laser spot. The experimental approach is based on the repeated blind pseudo-random illumination using modern projector technology and a high-power laser. In the subsequent post-processing, several measurements are then combined by taking advantage of the joint sparsity of the defects within the sample applying 2D-photothermal super resolution reconstruction. Here, enhanced nonlinear convex optimization techniques are utilized for solving the underlying ill-determined inverse problem for typical simple defect geometries. As a result, a higher resolution defect/inhomogeneity map can be obtained at a fraction of the measurement time previously needed.
Thermographic photothermal super resolution reconstruction enables the resolution of internal defects/inhomogeneities below the classical limit, which is governed by the diffusion properties of thermal wave propagation. Based on a combination of the application of special sampling strategies and a subsequent numerical optimization step in post-processing, thermographic super resolution has already proven to be superior to standard thermographic methods in the detection of one-dimensional defect/inhomogeneity structures. In our work, we report an extension of the capabilities of the method for efficient detection and resolution of defect cross sections with fully two-dimensional structured laser-based heating. The reconstruction is carried out using one of two different algorithms that are proposed within this work. Both algorithms utilize the combination of several coherent measurements using convex optimization and exploit the sparse nature of defects/inhomogeneities as is typical for most nondestructive testing scenarios. Finally, the performance of each algorithm is rated on reconstruction quality and algorithmic complexity. The presented experimental approach is based on repeated spatially structured heating by a high power laser. As a result, a two-dimensional sparse defect/inhomogeneity map can be obtained. In addition, the obtained results are compared with those of conventional thermographic inspection methods that make use of homogeneous illumination. Due to the sparse nature of the reconstructed defect/inhomogeneity map, this comparison is performed qualitatively.
In this work, we report on our progress for investigating a new experimental approach for thermographic detection of internal defects by performing 2D photothermal super resolution reconstruction. We use modern high-power laser projector technology to repeatedly excite the sample surface photothermally with varying spatially structured 2D pixel patterns. In the subsequent (blind) numerical reconstruction, multiple measurements are combined by exploiting the joint-sparse nature of the defects within the specimen using nonlinear convex optimization methods. As a result, a 2D-sparse defect/inhomogeneity map can be obtained. Using such spatially structured heating combined with compressed sensing and computational imaging methods allows to significantly reduce the experimental complexity and to study larger test surfaces as compared to the one-dimensional approach reported earlier.