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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.
The ultrasonic echo technique is widely used in non-destructive testing for investigation and damage analysis of concrete constructions. Important applications include thickness measurements, geometry determination, the localization and characterization of built-in components as well as the detection of quality issues (cracks, honeycombing, low concrete strength).
To improve ultrasonic data imaging of complicated structures in concrete, we transferred a seismic migration technique, the Reverse Time Migration (RTM), to non-destructive testing in civil engineering. In a preliminary study, we tested a 2D acoustic RTM algorithm on measured ultrasonic echo data acquired at a concrete foundation slab. Compared to the conventional used synthetic aperture focusing technique algorithms (SAFT) for ultrasonic data reconstruction, our acoustic RTM results showed a significant improvement in imaging the interior structure of the concrete slab. Vertical reflectors were reconstructed which was not possible by traditional imaging.
In contrast to SAFT, RTM is a wavefield-continuation method in time and uses the full wave equation. RTM is, thus, able to include multiple reflections and to handle multi-pathing as well as many other complex situations. As a drawback RTM requires extensive computing power and memory capacity. Nevertheless, due to progresses in parallel processing and other computational technologies RTM has become appealing for the application in the field of non-destructive testing.
An RTM algorithm, which uses the full elastic wave equation instead of the full acoustic one (as applied in our preliminary work) has the potential to optimize the imaging results even further. This is due to the fact, that our ultrasonic measurement data are generated by exciting elastic waves. Thus, in a first step, two 2D elastic RTM algorithms were tested on synthetic ultrasonic echo data generated with a concrete model consisting of several steps and circular shaped air inclusions. In addition, two imaging conditions were evaluated to reduce migration artifacts. Our synthetic elastic RTM results showed an enhancement in imaging the features inside the test model compared to acoustic RTM and SAFT. In a second step, we acquired ultrasonic measurement data at a concrete test specimen consisting of three steps and four air filled tendon ducts. The evaluation of the real data with our elastic RTM code was also successful and the reconstruction of the geometries of the steps and tendon ducts could be improved. With our study we have shown that elastic RTM is a step forward for ultrasonic testing in civil engineering.
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.
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.
Ultrasonic echo testing is widely used in non-destructive testing in civil engineering to investigate concrete structures, to measure thickness, and to locate and characterise built-in components or inhomogeneities. Currently, synthetic aperture focusing techniques are mostly used for imaging. These algorithms are highly developed but have some limitations. For example, it is not possible to image the lower boundary of built-in components like tendon ducts or vertical reflectors. We adopted reverse time migration for non-destructive testing in civil engineering in order to improve the imaging of complicated structures in concrete. By using the entire wavefield, including waves reflected more than once, there are fewer limitations compared to synthetic aperture focusing technique algorithms. As a drawback, the required computation is significantly higher than that for the techniques currently used.
Simulations for polyamide and concrete structures showed the potential for non-destructive testing. The simulations were followed by experiments at a polyamide specimen. Here, having acquired almost noise-free measurement data to test the algorithm, we were able to determine the shape and size of boreholes with sufficient accuracy. After these successful tests, we performed experiments at a reinforced concrete foundation slab. We obtained information from the data by reverse time migration, which was not accessible by traditional imaging. The imaging of the location and structure of the lower boundary of the concrete foundation slab was improved. Furthermore, vertical reflectors inside the slab were imaged clearly, and more flaws were found. It has been shown that reverse time migration is a step forward in ultrasonic testing in civil engineering.
Ultrasonic echo testing is widely used in non-destructive testing to investigate concrete structures as well as to locate built-in components or inhomogeneities. Currently, Synthetic Aperture Focusing Technique algorithms (SAFT) are used for imaging. These algorithms are highly developed but have some limitations. It is not possible to image the lower boundary of tendon ducts or vertical reflectors. We adopted a geophysical imaging technique, the Reverse Time Migration (RTM), to non-destructive testing in order to improve the imaging of complicated structures in concrete. By using the entire wavefield there are fewer limitations compared to SAFT.
In a first step, simulations for polyamide and concrete structures were performed by using a 2D acoustic finite difference code. The simulations were followed by experiments at a polyamide specimen. Here we were able to determine shape and size of boreholes with a sufficient accuracy. After these successful tests we carried out experiments at a reinforced concrete foundation slab. The reconstruction of the structure of the lower boundary of the slab was improved and vertical reflectors inside the slab were imaged clearly. These tests on polyamide and concrete showed that RTM is a step forward for ultrasonic testing. However we observed migration artifacts and difficulties in imaging 3D structures.
In a second step we implemented a 2D elastic RTM code, since for our ultrasonic measurements elastic waves are emitted. The modeling code is included in the Madagascar software package. The required computing power for performing elastic RTM is significantly high. Thus we need appropriate computer hardware to obtain meaningful results within an adequate time frame. Using our hardware RTM of an ultrasonic data set takes far too long (3 months).
We applied the elastic code to ultrasonic data acquired on a concrete specimen which contains vertical reflectors. A comparison of the acoustic RTM results with those obtained by elastic RTM showed an improvement in the image quality.
Future work includes the analysis of RTM artifacts and the expansion of the algorithm to three dimensions. Another topic to be addressed is to how to account for the size of the ultrasonic transducer arrays which we are using.
Modern geophysical methods might be either directly applied to concrete structures or integrated into existing testing schemes to assist in quality assurance and inspections. This paper gives an overview on some ideas and developments from the author’s work:
• Vibrator technologies to improve pile integrity testing.
• Ideas from vertical seismic profiling used in multichannel pile inspection
• Cross- and downhole seismics to check the diameter of jet grouting columns
• Improving the parallel seismic methods for precise length measurement of piles and foundation walls
• Seismic migration methods to improve ultrasonic imaging of foundation slabs
• Seismological tools to monitor subtle changes in concrete constructions
The authors strongly believe that the cooperation between geophysics and civil engineering, which is obviously becoming stronger and stronger, will lead to a large number of innovative approaches.