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In this paper we propose super resolution measurement and post-processing strategies that can be applied in thermography using laser line scanning. The implementation of these techniques facilitates the separation of two closely spaced defects and avoids the expected deterioration of spatial resolution due to heat diffusion. The experimental studies were performed using a high-power laser as heat source in combination with pulsed thermography measurements (step scanning) or with continuous heating measurements (continuous scanning). Our work shows that laser line step scanning as well as continuous scanning both can be used within our developed super resolution (SR) techniques. Our SR techniques make use of a compressed sensing based algorithm in post- processing, the so-called iterative joint sparsity (IJOSP) approach. The IJOSP method benefits from both - the sparse nature of defects in space as well as from the similarity of each measurement. In addition, we show further methods to improve the reconstruction quality e.g. by simple manipulations in thermal image processing such as by considering the effect of the scanning motion or by using different optimization algorithms within the IJOSP approach. These super resolution image processing methods are discussed so that the advantages and disadvantages of each method can be extracted. Our contribution thus provides new approaches for the implementation of super resolution techniques in laser line scanning thermography and informs about which experimental and post-processing parameters should be chosen to better separate two closely spaced defects.
This paper presents different super resolution reconstruction techniques to overcome the spatial resolution limits in thermography. Pseudo-random blind structured illumination from a onedimensional laser array is used as heat source for super resolution thermography. Pulsed thermography measurements using an infrared camera with a high frame rate sampling lead to a huge amount of data. To handle this large data set, thermographic reconstruction techniques are an essential step of the overall reconstruction process. Four different thermographic reconstruction techniques are analyzed based on the Fourier transform amplitude, principal component analysis, virtual wave reconstruction and the maximum thermogram. The application of those methods results in a sparse basis representation of the measured data and serves as input for a compressed sensing based algorithm called iterative joint sparsity (IJOSP). Since the thermographic reconstruction techniques have a high influence on the result of the IJOSP algorithm, this paper Highlights their Advantages and disadvantages.
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.
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.
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.
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.
The work to be presented focuses on our most recent studies to laser excited super resolution (SR) thermography. The goal of nondestructive testing with SR is to facilitate the separation of closely spaced defects. Photothermal SR can be realized by performing structured illumination measurements in com-bination with the use of deconvolution algorithms in post-processing. We explain that stepwise as well as continuous scanning techniques are applicable to generate structured illumination measurements. Finally, we discuss the effect of experimental parameters and image processing techniques to find the optimal SR technique which leads to the highest reconstruction quality within laser thermography.
The work to be presented focuses on our most recent studies to laser excited super resolution (SR) thermography. The goal of nondestructive testing with SR is to facilitate the separation of closely spaced defects. Photothermal SR can be realized by performing structured illumination measurements in com-bination with the use of deconvolution algorithms in post-processing. We explain that stepwise as well as continuous scanning techniques are applicable to generate structured illumination measurements. Finally, we discuss the effect of experimental parameters and image processing techniques to find the optimal SR technique which leads to the highest reconstruction quality within laser thermography.
Die thermografische ZfP basiert auf der Wechselwirkung von thermischen Wellen mit Inhomogenitäten. Die Ausbreitung von thermischen Wellen von der Wärmequelle zur Inhomogenität und zur Detektionsoberfläche entsprechend der thermischen Diffusionsgleichung führt dazu, dass zwei eng beieinander liegende Defekte fälschlicherweise als ein Defekt im gemessenen Thermogramm erkannt werden können. Um diese räumliche Auflösungsgrenze zu durchbrechen, also eine Super Resolution zu realisieren, kann die Kombination von räumlich strukturierter Erwärmung und numerischen Verfahren des Compressed Sensings verwendet werden.
Für unsere Arbeiten benutzen wir Hochleistungs-Laser im Kilowatt-Bereich um die Probe entweder hochaufgelöst entlang einer Linie (1D) abzurastern oder strukturiert zu erwärmen. Die Verbesserung des räumlichen Auflösungsvermögens zur Defekterkennung hängt dann im klassischen Sinne direkt von der Anzahl der Messungen ab. Mithilfe des Compressed Sensings und Vorkenntnissen über das System ist es jedoch möglich die Anzahl der Messungen zu reduzieren und trotzdem Super Resolution zu erzielen. Wie viele Messungen notwendig sind und wie groß der Auflösungsgewinn gegenüber der konventionellen thermografischen Prüfung mit flächiger Erwärmung ist, hängt von einer Reihe von Messparametern, der Messstrategie, Probeneigenschaften und den verwendeten Rekonstruktionsalgorithmen ab.
Unsere Studien befassen sich mit dem Einfluss der experimentellen Parameter, wie z.B. der Pulslänge der Laserbeleuchtung und der Größe des Laserspots. Weiterhin haben wir uns mit der Wahl der Parameter in der Rekonstruktion auseinandergesetzt, die einen Einfluss auf das im Compressed Sensing zugrundeliegende Minimierungsproblem haben. Für jeden getesteten Parametersatz wurde eine Rekonstruktionsqualität berechnet. Schließlich wurden die Defektrekonstruktionen basierend auf den Parameternsätzen verglichen, sodass eine Parameterwahl für hohe Rekonstruktionsqualitäten mit thermografischer Super Resolution empfohlen werden kann.
Die thermografische ZfP basiert auf der Wechselwirkung von thermischen Wellen mit Inhomogenitäten. Die Ausbreitung von thermischen Wellen von der Wärmequelle zur Inhomogenität und zur Detektionsoberfläche entsprechend der thermischen Diffusionsgleichung führt dazu, dass zwei eng beieinander liegende Defekte fälschlicherweise als ein Defekt im gemessenen Thermogramm erkannt werden können. Um diese räumliche Auflösungsgrenze zu durchbrechen, also eine Super Resolution zu realisieren, kann die Kombination von räumlich strukturierter Erwärmung und numerischen Verfahren des Compressed Sensings verwendet werden.
Für unsere Arbeiten benutzen wir Hochleistungs-Laser im Kilowatt-Bereich um die Probe entweder hochaufgelöst entlang einer Linie (1D) abzurastern oder strukturiert zu erwärmen. Die Verbesserung des räumlichen Auflösungsvermögens zur Defekterkennung hängt dann im klassischen Sinne direkt von der Anzahl der Messungen ab. Mithilfe des Compressed Sensings und Vorkenntnissen über das System ist es jedoch möglich die Anzahl der Messungen zu reduzieren und trotzdem Super Resolution zu erzielen. Wie viele Messungen notwendig sind und wie groß der Auflösungsgewinn gegenüber der konventionellen thermografischen Prüfung mit flächiger Erwärmung ist, hängt von einer Reihe von Messparametern, der Messstrategie, Probeneigenschaften und den verwendeten Rekonstruktionsalgorithmen ab.
Unsere Studien befassen sich mit dem Einfluss der experimentellen Parameter, wie z.B. der Pulslänge der Laserbeleuchtung und der Größe des Laserspots. Weiterhin haben wir uns mit der Wahl der Parameter in der Rekonstruktion auseinandergesetzt, die einen Einfluss auf das im Compressed Sensing zugrundeliegende Minimierungsproblem haben. Für jeden getesteten Parametersatz wurde eine Rekonstruktionsqualität berechnet. Schließlich wurden die Defektrekonstruktionen basierend auf den Parameternsätzen verglichen, sodass eine Parameterwahl für hohe Rekonstruktionsqualitäten mit thermografischer Super Resolution
empfohlen werden kann.
