Study and implementation of fast compressive 3-D total focusing method ultrasonic imaging using 2-D sparse arrays

Pereira Piedade, Lucas (2024). Study and implementation of fast compressive 3-D total focusing method ultrasonic imaging using 2-D sparse arrays. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

This thesis explores the increasing focus on three-dimensional imaging in ultrasonic nondestructive testing (NDT), emphasizing the significance of phased array ultrasonic testing (PAUT) and the emerging potential of the total focusing method (TFM) for high-resolution imaging. When applying this method to a 2-D imaging context using linear array probes, limitations arise concerning the identification of defects, particularly in scenarios with random orientations such as cracks, demanding the necessity for 3-D imaging solutions. The study addresses the challenges associated with the use of volumetric imaging in NDT, primarily focusing on matrix phased arrays within the TFM framework, aiming to develop innovative ultrasonic acquisition and data processing strategies to enhance 3-D TFM productivity. The project’s scope involves two key facets. Firstly, the project examines the complexity associated with managing a high number of elements in ultrasonic matrix phased arrays, exploring element reduction techniques, notably element selection strategies like sparse arrays. Secondly, the research focuses on methodologies to reduce the substantial data volume generated, investigating innovative data compression techniques, such as compressive sensing (CS) approaches. The integration of these strategies is intended to pave the way for the development of lightweight ultrasonic scanners and to lay the theoretical foundation for their practical realization. Initially, this study introduced a method for designing sparse array layouts applied to linear phased arrays and compared it to the FMC and plane wave imaging (PWI). Then, this sparse array methodology was adapted and extended to matrix phased arrays to optimize data acquisition efficiency while balancing 3-D imaging quality. Finally, the sparse array methodology was combined with an efficient CS framework to match increased data acquisition rates with reductions in the data volumes at the same time. Experimental trials involving samples containing artificial flaws were performed to evaluate the proposed approach. As a result of this project, three significant outcomes were realized: (1) the proposed sparse-TFM reduced firing events by more than 90% while providing high accuracy, and its performance was superior to PWI; (2) an optimized sparse array technique for matrix probes achieved a 9.8-fold acceleration in 3-D TFM, preserving image quality and defect sizing capabilities; and (3) utilizing CS and sparse arrays enabled ultrasonic signal recovery at sampling rates below the Nyquist limit and faster TFM imaging, indicating a potential reduction of the hardware complexity in ultrasound devices for NDT applications.

Titre traduit

Étude et mise en oeuvre d’une imagerie ultrasonore 3D rapide par la méthode de focalisation totale compressive utilisant des approches parcimonieuses en 2D

Résumé traduit

Cette thèse explore l’accent croissant mis sur l’imagerie tridimensionnelle dans le contrôle non destructif par ultrasons (CND), mettant l’accent sur l’importance du contrôle ultrasonore par sondes multiéléments (PAUT) et le potentiel émergent de la méthode de focalisation totale (TFM) pour l’imagerie à haute résolution. Lors de l’application de cette méthode dans un contexte d’imagerie en 2D à l’aide de sondes linéaires, des limites apparaissent concernant l’identification des défauts, notamment dans des scénarios avec des orientations aléatoires telles que des fissures, exigeant la nécessité de solutions d’imagerie en 3D. L’étude aborde les défis associés à l’utilisation de l’imagerie volumétrique dans le CND, se concentrant principalement sur les sondes matricielles dans le cadre de la TFM, dans le but de développer des stratégies novatrices d’acquisition ultrasonore et de traitement des données pour améliorer la productivité de la TFM en 3D. Le projet comporte deux aspects clés. Tout d’abord, le projet examine la complexité associée à la gestion d’un grand nombre d’éléments dans les sondes matricielles ultrasonores, explorant des techniques de réduction des éléments, notamment des stratégies de sélection d’éléments telles que les approches parcimonieux. Ensuite, la recherche se concentre sur des méthodologies visant à réduire le volume substantiel de données générées, en examinant des techniques innovantes de compression de données, telles que les approches d’échantillonnage compressif (CS). L’intégration de ces stratégies vise à ouvrir la voie au développement de scanners ultrasonores légers et à poser les bases théoriques de leur réalisation pratique. Premièrement, cette étude a introduit une méthode de conception de réseaux parcimonieux appliquée aux sondes linéaires et l’a comparée à la FMC et à l’imagerie par ondes planes (PWI). Ensuite, cette méthodologie de réseaux parcimonieux a été adaptée et étendue aux sondes matricielles pour optimiser l’efficacité de l’acquisition de données tout en équilibrant la qualité d’imagerie en 3D. Enfin, la méthode de réseaux parcimonieux a été combinée à un cadre CS efficace pour correspondre à l’augmentation des taux d’acquisition de données avec des réductions simultanées des volumes de données. Des essais expérimentaux sur des échantillons contenant des défauts artificiels ont été réalisés pour évaluer l’approche proposée. Les résultats de ce projet incluent trois réalisations significatives : (1) le TFM parcimonieux proposé a réduit de plus de 90% les séquence de tir tout en fournissant une grande précision, et ses performances étaient supérieures à celles de la PWI ; (2) une technique de réseau parcimonieux optimisé pour les sondes matricielles a permis une accélération de 9,8 fois de la TFM en 3D, préservant la qualité de l’image et les capacités de dimensionnement des défauts ; et (3) l’utilisation de CS et des réseaux parcimonieux a permis la récupération du signal ultrasonore à des taux d’échantillonnage inférieurs à la limite de Nyquist et une imagerie TFM plus rapide, indiquant une réduction potentielle de la complexité matérielle des dispositifs à ultrasons pour les applications de CND.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 123-133).
Mots-clés libres:	sonde matricielle ultrasonore, réseau parcimonieux, échantillonnage compressif (CS), méthode de focalisation totale (TFM), imagerie volumétrique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bélanger, Pierre
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	24 juill. 2024 14:35
Dernière modification:	24 juill. 2024 14:35
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3475

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