Untersuchung von codierten Ansteuersignalen hinsichtlich der axialen Auflösung in der ultraschallbasierten Bildgebung

Abstract

In einer beschallten homogenen Materialschicht entstehen Mehrfachreflexionen. Deren Laufzeitmessung ermöglicht das simultane Bestimmen der Schichtdicke und der Schallgeschwindigkeit. Mit axialer Auflösung wird die minimal detektierbare Laufzeitdifferenz bezeichnet. Codierte Ansteuersignale werden klassischerweise eingesetzt um das Signal-Rausch-Verhältnis zu erhöhen, können aber auch dazu dienen die axiale Auflösung des Systems zu verbessern. Dies geschieht durch frequenzabhängiges Verstärken des Ansteuersignals vor dem Senden. Mit einer solchen Konditionierung des Ansteuersignals können dünnere Platten vermessen werden. Es ist stets ein Kompromiss zwischen Signal-Rausch-Verhältnis und axialer Auflösung einzugehen. Codierte Ansteuersignale besitzen eine lange zeitliche Ausdehnung. Deshalb erfordern sie zur Laufzeitmessung eine Pulskompression. Die axiale Auflösung des Systems hängt wesentlich vom eingesetzten Pulskompressionsfilter ab. Allerdings müssen gleichzeitig die dabei entstehenden Nebenkeulen klein genug sein um die Hauptkeulen der überlagerten Mehrfachreflexionen nicht zu verzerren. Deshalb ist ein Kompromiss zwischen axialer Auflösung und Nebenkeulenpegel erforderlich. In der vorliegenden Arbeit wird die Messstrecke zunächst systemtheoretisch beschrieben. Anschließend werden mögliche Ansteuersignale diskutiert und deren Konditionierung zur Erhöhung der axialen Auflösung. Verschiedene Pulskompressionsfilter werden hinsichtlich axialer Auflösung und Nebenkeulenpegel untersucht. Zuletzt werden die Messergebnisse vorgestellt. Als Ansteuersignal dient ein konditioniertes, linear frequenzmoduliertes Signal. Die Ergebnisse der zwei geeignetsten Empfangsfilter werden gegenübergestellt. Diese sind ein selbst entworfenes Wiener-Filter mit Fensterung und ein Mismatched-Filter.

Daniel A. Kiefer

Researcher at Institut Langevin

Research in guided elastodynamic waves, fluid-structure interaction, simulation and signal processing for ultrasonic sensors and nondestructive testing.