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Laser excited super resolution thermal imaging for nondestructive inspection of internal defects
(2020)
A photothermal super resolution technique is proposed for an improved inspection of internal defects. To evaluate the potential of the laser-based thermographic technique, an additively manufactured stainless steel specimen with closely spaced internal cavities is used. Four different experimental configurations in transmission, reflection, stepwise and continuous scanning are investigated. The applied image post-processing method is based on compressed sensing and makes use of the block sparsity from multiple measurement events. This concerted approach of experimental measurement strategy and numerical optimization enables the resolution of internal defects and outperforms conventional thermographic inspection techniques.
Die Integration von Automation und Robotik in die Prüfprozesse ermöglicht die
Untersuchung komplexer Bauteile. Diese Studie präsentiert die robotergestützte
Laserthermografie, um Risse in solchen Bauteilen zu identifizieren und analysieren. Diese Technik ermöglicht die automatisierte Rissprüfung welche im Vergleich zur Farbeindringprüfung auf viele, meist manuelle, Arbeitsschritte sowie die notwendigen Chemikalien verzichtet.
Zusätzlich wird ein automatisiertes Einscannen der Bauteile mithilfe eines
Linienscanners vorgestellt. Dieser Schritt ermöglicht eine detaillierte 3D-Rekonstruktion der Bauteilgeometrie und ermöglicht eine einfache Korrektur von Abweichungen in der Bauteilaufnahme und eröffnet Möglichkeiten zur adaptiven Bahnplanung bei Bauteilverformungen.
Die Rückprojektion der gefundenen Risse auf die Oberfläche des Bauteils kann
automatisiert erfolgen. Dieser Schritt erlaubt nicht nur die Identifikation der Risse, sondern auch eine genauere Analyse ihrer Geometrie und Lage am Bauteil.
Die Kombination von robotergestützter Laserthermografie, automatisiertem 3DScanning und Rückprojektion der Risse auf die Bauteiloberfläche eröffnet neue
Möglichkeiten in der zerstörungsfreien Prüfung von komplexen Bauteilen und erweitert damit mögliche Anwendungsfelder.
Laser excited super resolution thermal imaging for nondestructive inspection of internal defects
(2020)
A photothermal super resolution technique is proposed for an improved inspection of internal defects. To evaluate the potential of the laser-based thermographic technique, an additively manufactured stainless steel specimen with closely spaced internal cavities is used. Four different experimental configurations in transmission, reflection, stepwise and continuous scanning are investigated. The applied image post-processing method is based on compressed sensing and makes use of the block sparsity from multiple measurement events. This concerted approach of experimental measurement strategy and numerical optimization enables the resolution of internal defects and outperforms conventional thermographic inspection techniques.
Using spatial and temporal shaping of laser-induced diffuse thermal wave fields in thermography
(2020)
The diffuse nature of thermal waves is a fun-damental limitation in thermographic nonde-structive testing. In our studies we investigated different approaches by shaping the thermal wave fields which result from heating. We have used high-power laser sources to heat metallic samples. Using these spatial and temporal shaping techniques leads to a higher detection sensitivity in our measurements with the infra-red camera. In this contribution we show our implementation of shaping laser-induced diffuse thermal wave fields and the effect on the defect reconstruction quality.
Thermographic reconstruction of defects that lie in the bulk of a sample is a difficult task because entropy production during heat diffusion leads to information loss. To reconstruct defects one has to solve an inverse heat conduction problem. The quality of the reconstruction is closely related to the information content of the observed data set that is reflected by the decreasing ability to spatially resolve a defect with growing defect depth. In this work we show a 2D reconstruction of rectangular slots with different width-to-depth ratios in a metallic sample. For this purpose, we apply the virtual wave concept and incorporate positivity and sparsity as prior information to overcome the diffusion-based information loss partially. The reconstruction is based on simulated and experimental pulse thermography data. In the first reconstruction step, we compute a virtual wave field from the surface temperature data. This allows us, in the second step, to use ultrasonic backpropagation methods for image reconstruction.
In this work we focus on our most recent studies to super resolution (SR) laser thermography. The goal of SR nondestructive testing methods is to facilitate the separation of closely spaced defects. We explain how to combine laser scanning with SR techniques. It can be shown that stepwise as well as continuous scanning techniques are applicable. Finally, we discuss the effect of experimental parameters and im-age processing techniques to find the optimal SR technique which leads to the highest reconstruction quality within laser thermography.
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.
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.
Im weitverbreiteten Fall der thermografischen ZfP sollen Defekte im Probeninneren detektiert werden. Da diese eine Inhomogenität darstellen, genügt jegliche Mess- und Datenverarbeitungstechnik, die diese Inhomogenität als Kontrast in der transienten Temperaturverteilung herausarbeitet. Ein üblicher Ansatz ist eine extrem kurze und intensive Blitzlampenbeleuchtung zusammen mit einer nachträglichen Fourier-Transformation zu verwenden. Für die zusätzliche Tiefenbestimmung werden entweder rein phänomenologische Ansätze, semi-analytische Ansätze mit Kalibrationsmessungen oder Fits an analytische bzw. numerische Modelle verwendet. Ein üblicher semi-analytischer Ansatz ist z.B. die Analyse des Abknickens der transienten Abkühlkurve. Problematisch ist das schnelle Abklingen der Amplitude auf Rauschniveau und damit die inhärente Beschränkung der Tiefenreichweite. Eine äquivalente Beschreibung der Wärmeleitung ist über sehr stark gedämpfte thermische Diffusionswellen möglich. Die Eindringtiefe ist dann gleich der thermischen Diffusionslänge. Der semi-analytische Ansatz über normales Least-Squares-Fitting funktioniert für 1D-Schicht-Systeme sehr gut, versagt aber für höherdimensionale Messprobleme. Genau hier setzt eine seit Kurzem bekannte Transformation der diffusen Temperaturentwicklung (bzw. des Realteils der Diffusionswelle) in eine propagierende virtuelle Temperaturwelle an. Dieses sog. Virtual-Wave-Konzept stellt sich selbst als ein weiteres inverses Problem dar. Der Nutzen dieser in einer linearen virtuellen Zeitdomäne propagierenden Welle überkompensiert den numerischen Mehraufwand jedoch deutlich. Zusammen mit neuen Technologien in der Erwärmung durch Hochleistungs-Laser-Arrays und in der Datenakquisition durch kHz-Kameras erlaubt dieser Ansatz eine signifikante Verbesserung der Tiefenreichweite in der Impuls-Thermografie. Im Beitrag werden experimentelle Ergebnisse an einer additiv hergestellten Metallprobe mit überdeckten Schlitzen vorgestellt, die eine Detektion dieser Defekte bis zu einem Seitenverhältnis von Defektbreite/Defekttiefe ~ 0,25 erlauben, also ca. 4 mal tiefer als die übliche Faustformel.
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.