Optical flow transducer position tracking for quantitative manual ultrasonic testing

Abstract

Ultrasonic inspection methods are used to prevent failure of pressurized components. However, flaw evaluation depends on skills of trained inspectors. Automated scanning has become mandatory for more reliable inspection performance. However, manipulator techniques are often not applicable. The control of transducer position during manual scanning could provide an equivalent inspection quality but with the advantage of easy access and scanning. Ultrasonic multi-channel equipment enables real-time imaging of inspection results during scanning. Migration codes reconstruct reflector images with a resolution given by the aperture of the transducer array element. Optical flow algorithm can be applied to identify image changes of sector scan sequences of linear arrays for quantitative transducer motion tracking. These are the basics for the development of an “Acoustic Mouse”, so called as analogous to the optical mouse of computer technology. We developed an optimized optical flow algorithm for linear arrays. By optical flow estimate of sector scan sequences we could demonstrate a transducer positioning accuracy better than half of the wavelength. However, optical flow estimate of noise images requires the use of longitudinal waves and appropriate focusing to reduce the contribution of grain boundary reflection. Further, optical flow images can be used to identify transducer positions after lift-off situations. The time needed for transducer repositioning is in the range of 2 seconds.

Die Ultraschall Impuls-Echo Methode zeichnet sich durch eine hohe Empfindlichkeit beim Nachweis von rißartigen Fehlern aus, die zum Versagen von druckführenden Komponenten führen können. Allerdings kann nur mit großem Aufwand eine hinreichend sichere Aussage über Fehlerart und Größe getroffen werden. Dies führt zur Forderung, kritische Bauteile automatisiert zu prüfen. Eine manuelle Prüfung würde eine Erfassung der Prüfkopfposition erfordern. Mit Gruppenstrahlern kann ein Reflektorbild in Echtzeit gemessen werden. Für die Rekonstruktion werden Migrationsalgorithmen verwendet, mit denen eine Auflösung bis zu einer halben Wellenlänge erreicht werden kann. Damit sind die Grundlagen gegeben für die Entwicklung einer akustischen Maus, ein Analogon zur optischen Maus der Computertechnik. Die Tauglichkeit dieses Konzeptes wurde nachgewiesen: ein optimierter Algorithmus zur Bestimmung von Bildänderungen und der anschließenden Prüfkopfpositionsbestimmung wurde entwickelt und experimentell überprüft. Der Algorithmus basiert auf den Prinzipien des optischen Flusses. Die Analyse von Rauschbildern setzt die Verwendung longitudinaler Wellen und eine gute Fokussierung zur Einschränkung des Beitrages der Reflektionen an den Korngrenzen voraus. Die optischen Flußbilder können als Positionssignatur verwendet werden, die nach einer Prüfkopfabhebung das Auffinden der bereits geprüften Positionen ermöglicht. Die erreichten Genauigkeiten liegen im Bereich einer halben Wellenlänge.