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We report on recent developments in the detection of surface breaking cracks using
flying laser spot thermography. Application of an infrared camera for mapping the
thermal radiation after excitation with a diode laser equipped with an optical scanner
allows us to examine a surface containing cracks in an entirely non-destructive,
contactless and fast way, without even moving the camera. We developed an efficient
and robust algorithm that can be applied directly to the recorded thermal sequences,
and that derives a single image containing all crack signatures. For this crack detection
technique, no specific synchronisation between laser and camera is required. Hence,
our approach is suitable for an upgrade of existing thermographic systems. The
feasibility of the proposed procedure is proven by testing an artificial test sample and a
piece of rail that comprises roll contact fatigue cracks and by comparing the results
with magnetic particle testing.
Thermografische ZfP-Verfahren erlauben die Erkennung einer Vielzahl von Defekten in unterschiedlichsten Werkstoffen. Neue Ansätze unter Verwendung von Lasern ermöglichen darüber hinaus die Prüfung auf Oberflächenrisse. Wir stellen die neuesten Entwicklungen dieser vielversprechenden Technik vor und zeigen warum deren Einsatz potentiell die Standardprüfverfahren Magnetpulver- bzw. Eindringprüfung für eine Reihe von Prüfproblemen beerben könnte. Hierzu stellen wir die Prüfergebnisse zu unterschiedlichen metallischen Werkstoffen, Rissgrößen und -typen in Abhängigkeit der Prüfparameter vor. Die aktuelle Grenze der Nachweisempfindlichkeit für die mittels klassischer Thermografie schwer prüfbaren hochreflektierenden Metalloberflächen liegt mit Rissbreiten und -tiefen von weni-gen Mikrometern im Bereich der fluoreszierenden Magnetpulver- und Eindringprüfung. Dabei sind weder Verbrauchsmittel noch eine Oberflächenpräparation notwendig und eine Prüfung kann berührungslos und automatisiert über Entfernungen im Meter-Bereich erfolgen.
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.
In the field of optically excited thermography, flash lamps (impulse shaped planar heating) and halogen lamps (modulated planar heating) have become established for the specific regimes of impulse and lock-in thermography. Flying-spot laser thermography is implemented by means of a rasterized focused laser, e. g. for crack detection (continuous wave operation) and photothermal material characterization (high-frequency modulated). The availability of novel technologies, i. e. fast and high-resolution IR cameras, brilliant innovative light sources and high-performance data acquisition and processing technology will enable a paradigm shift from stand-alone photothermal and thermographic techniques to uniform quantitative measurement and testing technology that is faster and more precise. Similar to an LED array, but with irradiance two orders of magnitude higher, a new type of brilliant laser source, i. e. the VCSEL array (vertical-cavity surface-emitting laser), is now available. This novel optical energy source eliminates the strong limitation to the temporal dynamics of established light sources and at the same time is spectrally clearly separated from the detection wavelength. It combines the fast temporal behavior of a diode laser with the high optical irradiance and the wide illumination area of flash lamps. In addition, heating can also be carried out in a structured manner, because individual areas of the VCSEL array can be controlled independently of each other. This new degree of freedom enables the development of completely new thermographic NDT methods.
Spot welding is one of the most important joining technologies, especially in the automotive industry. Hitherto,the quality of spot welded joints is tested mainly by random destructive tests. A nondestructive testing technique offers the benefit of cost reduction of the testing procedure and optimization of the fabrication process, because every joint could be examined. This would lead to a reduced number of spot welded joints, as redundancies could be avoided. In the procedure described here, the spot welded joint between two zinc-coated steel sheets (HX340LAD+Z100MB or HC340LA+ZE 50/50) is heated optically on one side. Laser radiation and flash light are used as heat sources. The melted zone, the so called “weld nugget” provides the mechanical stability of the connection, but also constitutes a thermal bridge between the sheets. Due to the better thermal contact, the spot welded joint reveals a thermal behavior different from the surrounding material, where the heat transfer between the two sheets is much lower. The difference in the transient thermal behavior is measured with time resolved thermography. Hence, the size of the thermal contact between the two sheets is determined, which is directly correlated to the size of the weld nugget, indicating the quality of the spot weld. The method performs well in transmission with laser radiation and flash light. With laser radiation, it works even in reflection geometry, thus offering the possibility of testing with just one-sided accessibility. By using heating with collimated laser radiation, not only contactfree, but also remote testing is feasible. A further convenience compared to similar thermographic approaches is the applicability on bare steel sheets without any optical coating for emissivity correction. For this purpose, a proper way of emissivity correction was established.
Im Bereich der optisch angeregten Thermografie haben sich Blitzlampen (impulsförmig-flächige Erwärmung) und Halogenlampen (moduliert-flächige Erwärmung) für die spezifischen Regime Impuls- und Lockin-Thermografie etabliert.
Mittels eines rasternden fokussierten Lasers wird die Flying-spot Laserthermografie z.B. zur Risserkennung (Dauerstrichbetrieb) und die photothermische Materialcharakterisierung (hochfrequent moduliert)implementiert. Durch die Verfügbarkeit neuer Technologien (schnelle und hochauflösende IR-Kameras, brillante innovativer Lichtquellen und performante Datenakquisitions- und Verarbeitungstechnik) wird ein Paradigmenwechsel von den getrennt voneinander stehenden photothermischen und thermografischen Techniken hin zu einer einheitlichen quantitativen Mess-und Prüftechnik ermöglicht, die schneller und präziser ist. Ähnlich wie ein LED-Array, jedoch mit einer um zwei Größenordnungen höheren Bestrahlungsstärke, steht jetzt eine neuartige brillante Laserquelle, das VCSEL-Array (vertical-cavity surface-emitting laser) zur Verfügung, welches die starke Beschränkung der zeitlichen Dynamik der etablierten Lichtquellen aufhebt und gleichzeitig spektral sauber von der Detektionswellenlänge getrennt ist. Es vereint somit das schnelle zeitliche Verhalten eines Diodenlasers mit der hohen optischen Bestrahlungsstärke und dem großen Beleuchtungsbereich von Blitzlampen. Darüber hinaus kann die Erwärmung auch strukturiert vorgenommen werden, da einzelne Bereiche des VCSEL-Arrays unabhängig voneinander angesteuert werden können. Dieser neue Freiheitsgrad ermöglicht die Entwicklung ganz neuer thermografischer ZfP-Verfahren.
Im Bereich der optisch angeregten Thermografie haben sich Blitzlampen (impulsförmig-flächige Erwärmung) und Halogenlampen (moduliert-flächige Erwärmung) für die spezifischen Regime Impuls- und Lockin-Thermografie etabliert.
Mittels eines rasternden fokussierten Lasers wird die Flying-spot Laserthermografie z.B. zur Risserkennung (Dauerstrichbetrieb) und die photothermische Materialcharakterisierung (hochfrequent moduliert)implementiert. Durch die Verfügbarkeit neuer Technologien (schnelle und hochauflösende IR-Kameras, brillante innovativer Lichtquellen und performante Datenakquisitions- und Verarbeitungstechnik) wird ein Paradigmenwechsel von den getrennt voneinander stehenden photothermischen und
thermografischen Techniken hin zu einer einheitlichen quantitativen Mess-und Prüftechnik ermöglicht, die schneller und präziser ist. Ähnlich wie ein LED-Array, jedoch mit einer um zwei Größenordnungen höheren Bestrahlungsstärke, steht jetzt eine neuartige brillante Laserquelle, das VCSEL-Array (vertical-cavity surface-emitting laser) zur Verfügung, welches die starke Beschränkung der zeitlichen Dynamik der etablierten Lichtquellen aufhebt und gleichzeitig spektral sauber von der Detektionswellenlänge getrennt ist. Es vereint somit das schnelle zeitliche Verhalten eines Diodenlasers mit der hohen optischen Bestrahlungsstärke und dem großen Beleuchtungsbereich von Blitzlampen. Darüber hinaus kann die Erwärmung auch strukturiert vorgenommen werden, da einzelne Bereiche des VCSEL-Arrays unabhängig voneinander angesteuert werden können. Dieser neue Freiheitsgrad ermöglicht die Entwicklung ganz neuer thermografischer ZfP-Verfahren.
Among the photothermal methods, full-field thermal imaging is used to characterize materials, to determine thicknesses of layers, or to find inhomogeneities such as voids or cracks. The use of classical light sources such as flash lamps (impulse heating) or halogen lamps (modulated heating) led to a variety of nondestructive testing methods, in particular lock-in and flash-thermography.
In vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs), laser light is emitted perpendicular to the surface with a symmetrical beam profile. Due to the vertical structure, they can be arranged in large arrays of many thousands of individual lasers, which allows power scaling into the kilowatt range. Recently, a high-power yet very compact version of such a VCSEL-array became available that offers both the fast timing behavior of a laser as well as the large illumination area of a lamp.
Moreover, it allows a spatial and temporal control of the heating because individual parts of the array can be controlled arbitrarily in frequency, amplitude, and phase. In conjunction with a fast infrared camera, such structured heating opens up a field of novel thermal imaging and testing methods. As a first demonstration of this ansatz, we chose a testing problem very challenging to conventional thermal infrared testing: The detection of very thin subsurface defects perpendicularly oriented to the surface of metallic samples. First, we generate destructively interfering thermal wave fields which are then affected by the presence of defects within their reach. It turned out that this technique allows highly sensitive detection of subsurface defects down to depths in excess of the usual thermographic rule of thumb, with no need for a reference or surface preparation.
Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs) sind Diodenlaser, welche Laserstrahlung mit gutem Strahlprofil senkrecht zur Chipoberfläche emittieren. Aufgrund dieser vertikalen Bauweise können sie in großen Arrays zu vielen tausenden einzelnen Lasern zusammengefasst werden. Solch ein VCSEL-Array vereint das schnelle zeitliche Verhalten eines Diodenlasers mit der hohen optischen Bestrahlungsstärke und dem großen Beleuchtungsbereich von Blitzlampen oder LEDs und kann damit potentiell alle herkömmlichen Lichtquellen der Thermografie ersetzen.
Darüber hinaus kann der Prüfkörper mithilfe dieser Lichtquelle strukturiert erwärmt werden, da einzelne Bereiche des VCSEL-Arrays unabhängig voneinander angesteuert werden können. Dieser neue Freiheitsgrad ermöglicht die Entwicklung neuer thermografischer ZfP-Verfahren. Wir demonstrieren diesen Ansatz anhand eines für die konventionelle Thermografie nur sehr bedingt lösbaren Prüfproblems, der Detektion vertikal zur Oberfläche ausgerichteter, sehr dünner, verdeckter Defekte in metallischen Werkstoffen. Wir erzeugen hierzu destruktiv interferierende thermische Wellenfelder. Defekte im Einflußbereich dieser thermischen Wellenfelder stören die destruktive Interferenz und erlauben eine hochsensible Detektion bis in Tiefen jenseits der üblichen thermografischen Faustformel, ohne Referenz und ohne Oberflächenbehandlung.
The separation of two closely spaced defects in fields of Thermographic NDE is very challenging. The diffusive nature of thermal waves leads to a fundamental limitation in spatial resolution. Therefore, super resolution image reconstruction can be used. A new concerted ansatz based on spatially structured heating and joint sparsity of the signal ensemble allows for an improved reconstruction of closely spaced defects. This new technique has been studied using a 1D laser array with randomly chosen illumination pattern.
This paper presents the results after applying super resolution algorithms, such as the iterative joint sparsity (IJOSP) algorithm, to our processed measurement data. Different data processing techniques before applying the IJOSP algorithm as well as the influence of regularization parameters in the data processing techniques are discussed. Moreover, the degradation of super resolution reconstruction goodness by the choice of experimental parameters such as laser line width or number of measurements is shown.
The application of the super resolution results in a spatial resolution enhancement of approximately a factor of four which leads to a better separation of two closely spaced defects.