DGZfP-JAHRESTAGUNG 2003

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Tiefenausgleich verrauschter Ultraschallbilder

M. Schickert, MFPA Weimar, Weimar
MFPA Weimar, Amalienstr. 13, 99423 Weimar, (0 36 43) 564-362 martin.schickert@mfpa.de
Stichwörter: Tiefenausgleich, Beton, SAFT-Rekonstruktion, statistische Rauschmodellierung, Referenzreflektoren, Kalibriermessungen, Tiefenausgleich
Kontakt: Schickert Martin Dipl.-Ing.

1. Zusammenfassung

Bei der Ultraschallprüfung heterogener Materialien wie Beton, faserverstärkten Kunststoffen oder austenitischen Stählen werden die Empfangssignale von einem Strukturrauschen überlagert und tiefenabhängig geschwächt. Als Folge erschweren in einer nachfolgenden bildgebenden Auswertung Bildrauschen und eine variierende Bildhelligkeit die Bildinterpretation und die Detektion kleiner Objekte.

Der Beitrag stellt eine kombinierte Methode für den Tiefenausgleich verrauschter Ultraschallbilder vor, die sowohl eine Größenbewertung kleiner Anzeigen als auch einen Ausgleich des Bildrauschens erlaubt. Zunächst werden zwei Verfahren zur Bestimmung der Tiefenausgleichsfunktion diskutiert. Das erste Verfahren basiert auf den statistischen Eigenschaften der Bildzeilen und benötigt keine Vorinformation. Für das zweite Verfahren werden Kalibriermessungen an Testkörpern mit Referenzreflektoren herangezogen. Die Kombination beider Methoden im Ultraschallbild erfolgt durch eine statistische Schwellenwertdetektion in Verbindung mit einer angepassten Farbtabelle. Damit ist eine Bilddarstellung mit umfangreichem, objektiv bewertetem Informationsgehalt möglich. Die Ergebnisse werden an gemessenen SAFT-Rekonstruktionen von Beton illustriert.

2. Einleitung

Bildgebende Ultraschallverfahren werden allgemein zur Darstellung des inneren Aufbaus von Prüfobjekten und speziell zur Fehlerdetektion eingesetzt, wenn erhöhte Anforderungen an Lokalisierungsgenauigkeit und Größendarstellung bestehen. Ein Beispiel ist die Anwendung der SAFT-Rekonstruktion (Synthetic Aperture Focusing Technique) auf die Ultraschallprüfung von Beton [1].

Abhängig von Material und Prüftechnik können die resultierenden Bilder verrauscht sein, was die Bildinterpretation und die Detektion kleiner Objekte erschwert. Mögliche Ursachen für Bildrauschen sind zeitvariante (z.B. elektrische) oder zeitinvariante (z.B. Kornrauschen) Störsignale. Letztere treten bei inhomogenen Materialien wie Beton, faserverstärkten Kunststoffen oder austenitischen Stählen auf.

Eine Möglichkeit der Rauschunterdrückung ist die Schwellenwertoperation, bei der Amplituden unterhalb einer vorgegebenen Schwelle als Rauschen betrachtet und im Bild unterdrückt werden. Eine objektive Methode zur Berechnung des Schwellenwertes besteht darin, den Schwellenwert aus einer geschätzten Verteilungsdichtefunktion des Bildrauschens zu berechnen [2]. Dieses Verfahren der Rauschunterdrückung wie auch eine Amplitudenbewertung der Anzeigen setzen aber voraus, dass kleine Objekte unabhängig von ihrer Tiefenlage mit gleicher Bildamplitude wiedergegeben werden. Dies ist bei heterogenen Materialien nicht der Fall, da die Streuung an der Materialstruktur den einfallenden Ultraschallpuls während des Materialdurchgangs zunehmend schwächt.

Eine Lösung bietet der Tiefenausgleich des Ultraschallbildes mit einer noch zu bestimmenden Tiefenausgleichsfunktion. In diesem Beitrag wird ein kombiniertes Verfahren vorgestellt, das in einem Ultraschallbild den getrennten Tiefenausgleich von Nutzsignal und Rauschen nach jeweils angepassten Kriterien erlaubt.

3. Ultraschallprüfung von Beton mit SAFT-Rekonstruktion

Ultraschallprüfung in Impuls/Echo-Technik wird an Beton überwiegend zur Dickenmessung, Fehler- und Objektdetektion eingesetzt [3]. Die Auswertung der Empfangssignale wird durch eine Reihe von Effekten erschwert, die auf den heterogenen Aufbau von Beton aus Zementmatrix, Zuschlag und Poren zurückgehen. Streuung an der Materialstruktur führt zu einer Überlagerung mit Strukturrauschen, Streuung und Absorption zu einer mit dem Schallweg zunehmenden Schwächung des ausgesandten Ultraschallpulses. Zusätzlich finden an allen inneren Oberflächen Modenkonversionen zwischen Longitudinal- und Transversalwellen statt.

Die Auswertbarkeit der Messungen wird durch die Anwendung der SAFT-Rekonstruktion verbessert, wobei mehrere Einzelmessungen zu einem Bild verrechnet werden, in dem sich Nutzsignale konstruktiv und Rauschen destruktiv überlagern [1]. In der vorliegenden Implementierung werden die Einzelmessungen entlang eines linienförmigen Rasters aufgenommen, aus denen dann ein zweidimensionales SAFT-Bild senkrecht zur Materialoberfläche berechnet wird.

Der Querschnitt des Beton-Testkörpers, an dem das Verfahren im folgenden demonstriert werden soll, ist in Bild 1 dargestellt. Der Testkörper mit Größtkorn 8 mm enthält acht linienförmige Objekte senkrecht zur Querschnittsebene. Die fünf Objekte Z1 bis Z5 haben Querabmessungen von 8 mm und variieren in Querschnitt (kreisförmig, quadratisch, Bewehrungseisen), Material (Luft, Stahl) und Herstellung (eingelegt, gebohrt). Drei der Objekte sind in zwei Tiefen vorhanden. Da zwei gegenüberliegende Längsflächen zur Mes sung genutzt werden, können diese drei Objekte in insgesamt vier Tiefen abgebildet werden. Position und Abtastrichtung des Ultraschallprüfkopfes sind hier für die obere Messfläche eingezeichnet.


Bild 1: Beton-Testkörper mit acht 8-mm-Objekten.

Die SAFT-Abbildung des Testkörperquerschnitts in Bild 2 zeigt deutliche Anzeigen der Objekte und der Rückwand, wobei letztere Amplitudenschwankungen durch Abschattungen der Objekte aufweist. In den Amplituden der Objektanzeigen spiegeln sich deren unterschiedliche Reflexionseigenschaften und Tiefenlagen wider. Die geringe Amplitude von Z1 in einer Tiefe von z = 150 mm liegt vermutlich an einer Überlagerung mit an den Seitenwänden reflektierten Wellen. Das Bildrauschen ist bei dieser Skalierung schwer erkennbar.


Bild 2: SAFT-Rekonstruktion des Testkörpers in Bild 1 ohne Tiefenausgleich.

Obwohl die SAFT-Rekonstruktion die Lage der Objekte gut wiedergibt, stören die Tiefenabhängigkeit der Amplituden gleichgroßer Objekte und die Ähnlichkeit der Amplituden so verschiedener Reflektoren wie der kleinen Objekte und der Rückwand. Generell lassen sich bei Betonen mit gröberem Zuschlag oder größerer Porosität Objekte in größeren Tiefen oft nur schwer erkennen oder vom Rauschen, dessen Amplituden ebenfalls mit der Tiefe abfallen, trennen.

4. Tiefenausgleich aus Referenzreflektoren

Bei der Ultraschallprüfung von Stahl werden mehrere Verfahren zur Kompensation der Tiefenabhängigkeit der Reflexionsamplituden angewandt [4]. Das AVG-Diagramm (Amplitude - Verstärkung - Fehlergröße) nutzt analytische Rechnungen der Reflexion an einem Kreisscheibenreflektor, um einen Zusammenhang zwischen Tiefe, Reflexionsamplitude und Fehlergröße herzustellen. Diese Diagramme sind im wesentlichen nur prüfkopfabhängig, setzen aber ein homogenes Material voraus und sind hier deshalb nicht anwendbar.

Für die Vergleichskörper-Methode wird ein Kalibrierkörper aus demselben Material wie dem des Prüfobjektes hergestellt, in den Querbohrungen in verschiedenen Tiefen eingebracht werden. Aus den gemessenen Reflexionsamplituden wird der funktionale Zusammenhang der Schallschwächung bestimmt, aus dem durch Normierung und Inversion eine Tiefenausgleichsfunktion berechnet werden kann. Diese Funktion, die als Distance Amplitude Correction (DAC) oder Time Gain Control (TGC) bezeichnet wird, enthält summarisch alle Einflüsse der Schallschwächung, also auch den der Materialstruktur. Bei Anwendung des Tiefenausgleichs ist zu beachten, dass die akustischen Materialeigenschaften von Prüf- und Vergleichskörper genügend ähnlich sind.

Die Vergleichskörper-Methode lässt sich auf die Ultraschall-Betonprüfung übertragen, wenn zwei Besonderheiten berücksichtigt werden. Zum einen muss der Reflektorquerschnitt so groß gewählt werden, dass das Reflexionssignal sich in den interessierenden Tiefen vom Strukturrauschen abhebt. Zum anderen wird hier ein quadratischer Reflektorquerschnitt gewählt, um Resonanzeffekte durch umlaufende Wellen auszuschließen.

Ergebnis dieser Überlegungen und von Vorversuchen ist der schon erwähnte Testkörper in Bild 1. Für die Aufnahme der Reflexionsamplituden werden die Objekte Z2 mit quadratischem Querschnitt verwendet. Das Ergebnis ist, wie in Bild 3 dargestellt, ein exponentieller und deshalb dB-linearer Abfall der Reflexionsamplitude mit der Tiefe. Der streng monotone Kurvenverlauf hängt vor allem damit zusammen, dass die Nahfeldlänge der Prüfköpfe in Beton in diesem wie auch meist im allgemeinen Fall unter 25 mm liegt und sich die Reflektoren dadurch im Fernfeld befinden.


Bild 3: Amplitudenverlauf des Referenzreflektors Z2 mit Ausgleichsgerade.

Aus diesem Amplitudenverlauf wurde ein Tiefenausgleich berechnet und auf die SAFT-Rekonstruktion in Bild 2 angewandt. Im Ergebnis in Bild 4 sind die Objektamplituden wie erwartet unabhängig von der Tiefe, und die Rückwandamplitude ist wesentlich größer als die der Objekte, wie es auch physikalisch sinnvoll ist. In diesem und den folgenden Bildern wurde der Amplitudenbereich begrenzt, um Objektanzeigen und Rauschen bei linearem Maßstab gut erkennbar zu machen. Dadurch übersteuert allerdings die Rückwandanzeige.


Bild 4: SAFT-Rekonstruktion aus Bild 2 mit Reflektor-Tiefenausgleich. Die Amplituden der Objekte Z2 sind aneinander angeglichen.

Der Verlauf des Tiefenausgleichs aus Referenzreflektoren braucht nur einmal je Beton ermittelt zu werden und kann dann auf alle gewünschten Bilder angewandt werden. Ein Nachteil ist die ungleichmäßige Helligkeit des Bildrauschens, das vor allem dann zur Interpretation herangezogen werden muss, wenn die Amplituden von Nutzanzeigen und Bildrauschen nahe beieinander liegen.

5. Tiefenausgleich aus Amplitudenstatistik

Ein Tiefenausgleich des Bildrauschens ist durch eine statistische Auswertung der Rauschamplituden möglich [5,2]. Dazu werden die Bildzeilen als Stichproben betrachtet. Bild 5 zeigt im linken Teil das Amplitudenhistogramm einer Bildzeile als Beispiel. Vergleicht man die Histogramme verschiedener Bildzeilen, so zeigt sich, dass die Form der Histogrammverteilung gleich bleibt, sich deren Maßstab aber mit der Tiefe ändert. Es liegt daher nahe, die Amplitudenverteilungen durch parametrische Verteilungsfunktionen zu nähern. Vergleichende Untersuchungen haben gezeigt, dass sich hierfür die Weibull-Verteilung besonders eignet, die zwei Parameter besitzt [5]. Eine Anpassung der Parameter an die Amplitudenverteilung jeder Bildzeile führt zu dem Verlauf in Bild 5, rechts. Während der Gestaltparameter, der die Form der Verteilung bestimmt, im wesentlichen konstant bleibt, ändert sich der Maßstabparameter mit der Tiefe. Diese Tiefenabhängigkeit kann durch eine quadratische Funktion genähert und in einen Tiefenausgleich umgerechnet werden. Kleinere Objektanzeigen gehen in die quadratische Näherung kaum ein, größere wie die Rückwandanzeige müssen durch Beschränkung des Näherungsbereichs ausgeblendet werden, wie es auch im vorliegenden Beispiel geschehen ist.


Bild 5: Näherung des Amplitudenverlaufs einer SAFT-Bildzeile durch die Weibull-Verteilung (links), tiefenabhängiger Verlauf der Parameter der Weibull-Verteilung (rechts).

Dieser Form des statistischen Tiefenausgleichs liegt ein klares Modell zugrunde. Auf einfachere Weise erhält man eine in vielen Fällen ausreichende Tiefenausgleichsfunktion, indem man den Verlauf des Medians jeder Bildzeile über der Tiefe auswertet. In der Anwendung dieses ad-hoc-Verfahrens auf die SAFT-Rekonstruktion aus Bild 2 zeigt Bild 6, dass die Rauschamplituden tatsächlich etwa gleich über die Bildtiefe verteilt sind. Die Anwendung dieses Tiefenausgleichs aus der Amplitudenstatistik erfolgt aus dem jeweils vorliegenden Bild ohne weitere Vorinformationen. Die Objektamplituden haben allerdings im allgemeinen keinen Bezug zur Objektgröße.


Bild 6: SAFT-Rekonstruktion aus Bild 2 mit statistischem Tiefenausgleich. Die Rauschamplituden sind über die Tiefe etwa gleich verteilt.

6. Kombinierter Tiefenausgleich

Die Tiefenausgleichskurven der beiden Verfahren unterscheiden sich im allgemeinen (Bild 7). Für eine einfache Bildinterpretation wäre es wünschenswert, den Reflektor-Tiefenausgleich auf die Objektanzeigen und den statistischen Tiefenausgleich auf das Bildrauschen anzuwenden. Dazu ist zunächst eine Unterscheidung zwischen Nutzsignal und Rauschen notwendig.


Bild 7: Vergleich der Ausgleichskurven des besprochenen Beispiels.

Dies mit einem Verfahren möglich, das ebenfalls auf der statistischen Auswertung des Bildrauschens beruht und sich an ähnliche Methoden aus dem Radarbereich anlehnt [2,5]. Dabei wird ein Schwellenwert S als Amplitudenkriterium zur Unterscheidung zwischen Signal und Rauschen bestimmt. Der Schwellenwert wird aus einer vorgegebenen Falschalarmwahrscheinlichkeit und den Parametern einer Weibull-Verteilungsfunktion berechnet, die an die Amplitudenstatistik eines Referenzrauschbereichs angepasst wurde. Der Referenzrauschbereich wird manuell so gewählt, dass keine Objektanzeigen enthalten sind. Alle Bildamplituden unterhalb des Schwellenwertes werden dann als Rauschen erkannt und unterdrückt.

Als Zwischenschritt zu dem kombinierten Tiefenausgleich zeigt Bild 8 die Anwendung dieses Verfahrens zur Rauschunterdrückung auf die SAFT-Rekonstruktion in Bild 2. Die Schwellenwertberechnung wurde für 1% Falschalarmwahrscheinlichkeit durchgeführt. Anschließend wurden die Objektamplituden mit dem Reflektor-Tiefenausgleich ausgeglichen. Das Verfahren zeigt eine gute Trennung von Objektanzeige und Rauschen, wobei lediglich einige Artefakte fälschlich als Objekte erkannt wurden. Nachteilig ist allerdings die komplette Unterdrückung des Rauschens, das damit nicht mehr zur Interpretation zur Verfügung steht. Bei geringen Signal/Rausch-Verhältnissen, wie sie in der Prüfpraxis an Beton häufig auftreten, können schwache Anzeigen so nicht mehr erkannt werden.


Bild 8: SAFT-Rekonstruktion aus Bild 2 nach Schwellenwertbegrenzung und mit Reflektor-Tiefenausgleich.

Dieses Problem wird vermieden, wenn das Rauschen nicht mehr unterdrückt, sondern farblich gekennzeichnet wird. Bild 9 zeigt das Ergebnis mit kombiniertem Tiefenausgleich für das vorliegende Beispiel. Darin wird der Schwellenwert S in Verbindung mit einer angepassten Farbtabelle dazu verwendet, Nutzsignal und Rauschen anhand einer Farbgrenze zu trennen. Bildamplituden unter S werden als Bildrauschen erkannt und in Blautönen wiedergegeben, solche gleich oder größer S als Objektamplituden in Gelb- und Rottönen. Dabei kann das Erreichen von S als Vorhandensein einer Mindestsignalqualität nach objektiven Kriterien interpretiert werden.


Bild 9: SAFT-Rekonstruktion aus Bild 2 mit kombiniertem Tiefenausgleich. Objektanzeigen und Rauschen werden durch eine Farbgrenze bei der Amplitudenschwelle S unterschieden. Die Objektanzeigen sind durch den Reflektor-Tiefenausgleich, das Rauschen durch den statistischen Tiefenausgleich ausgeglichen.

Nutzsignal und Rauschen wurden jeweils für sich nach Reflektoramplituden bzw. nach der Amplitudenstatistik tiefenausgeglichen. Die Wiedergabe der Bildamplituden ist damit nichtlinear. Kleine Objektanzeigen können anhand der Farbtabelle nach Größe klassiert werden. Das Rauschen ist in allen Bildbereichen mit annähernd gleichen statistischen Eigenschaften sichtbar. Durch diese Verfahrenskombination ist somit eine Bilddarstellung mit umfangreichem, objektiv bewertetem Informationsgehalt möglich.

Der Tiefenausgleich aus Referenzreflektoren arbeitet betonbezogen. Sein Verlauf braucht für jeden Beton nur einmal ermittelt zu werden. Die praktische Anwendung setzt voraus, dass der vorliegende Beton mit dem gleichen Ultraschallwandler vermessen ist. Bei unbekannten Betonen ist eine Bestimmung der Betonart aus Ultraschallmessungen wünschenswert. Demgegenüber wirkt der Tiefenausgleich aus der Amplitudenstatistik bildbezogen. Der Verlauf des Amplitudenausgleichs wird aus der jeweils vorliegenden SAFT-Rekonstruktion ermittelt, so dass keine Kenntnis des vorliegenden Betons notwendig ist.

Literatur

  1. M.Schickert, M.Krause, W.Müller: "Ultrasonic Imaging of Concrete Elements Using Reconstruction by Synthetic Aperture Focusing Technique". Journal of Materials in Civil Engineering 15 (2003) 235-246.
  2. M.Schickert, J.D.Schnapp, O.Kroggel, R.Jansohn: "Ultraschallprüfung von Beton: Verbesserte Objekterkennung durch stochastische Methoden"; DGZfP-Jahrestagung 2001, Berlin, 21.-23.5.2001. Berlin: Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung (DGZfP), 2001, CD-Rom, V44, o.S.
  3. M.Schickert (invited paper): "Ultrasonic NDE of Concrete"; 2002 IEEE Ultrasonics Symposium, München, 9.-11.10.2002. New York: Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE), 2002, Vol.1, 718-727.
  4. J.Krautkrämer, H.Krautkrämer: Werkstoffprüfung mit Ultraschall. Berlin:Springer, 19865.
  5. R.Jansohn: Amplitudenstatistik zur Bewertung von Ultraschallrückstreusignalen bei Beton; Dissertation an der Technischen Universität Darmstadt. Aachen: Shaker, 2000.

Danksagung

Die Untersuchungen wurden mit Unterstützung der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) unter den Projektkennzeichen HE2980/1-1 und KR908/7-1 (Kooperationspartner Dr.Kroggel, Technische Universität Darmstadt) sowie als Teil der Forschergruppe FOR384 (http://www.for384.uni-stuttgart.de) unter dem Projektkennzeichen BE2387/1-1 durchgeführt. Die Ultraschallmessungen wurden gemeinsam mit Herrn U.Tümmler aufgenommen.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net