Compressed Sensing für die ultraschallbasierte Materialprüfung (CoSMaDU)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Giovanni del Galdo; Professor Dr.-Ing. Ahmad Osman
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 421389590

Die Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) ist ein essentielles Mittel, um in Fertigungsketten die Abwesenheit kritischer Fehler zu sichern, oder große infrastrukturelle Bauwerke, wie zum Beispiel Schienensysteme, zu überwachen. Mit wachsenden Anforderungen in beiden Gebieten hat die Wichtigkeit von verlässlichen ZfP-Techniken stark zugenommen. Ziel ist es, ein Bauteil während seiner kompletten Lebenszeit zu überwachen.Ultraschall ist, auf Grund seiner einfachen und gefahrlosen Anwendbarkeit, eine der etabliertesten ZfP-Methoden.Bisher findet Ultraschallprüfung jedoch hauptsächlich qualitativ statt (Prüfling ist in Ordnung bzw. defekt). Quantitative Aussagen über Fehler sind nur sehr eingeschränkt möglich, denn die Interpretation von Ultraschallmessdaten ist schwierig. Auf Grund der Komplexität der Ultraschallwellenausbreitung können die aufgenommen Daten hochgradig mehrdeutig sein. Eine verlässliche Interpretation der aufgenommenen Daten ist nur unter Einbezug von Vorwissen über Prüfaufbau und Prüfkörper möglich. Um diese zu erleichtern und quantitative Aussagen zu ermöglichen, wird eine entsprechende Nachverarbeitung notwendig. Dennoch sind die kommerziell angewendeten Nachverarbeitungs-Techniken bis heute noch eher rudimentär, oder werden auf Grund ihrer Unzuverlässigkeit nur gemeinsam mit den Rohdaten genutzt. Der Haupthinderungsgrund für den Einsatz moderner Signalverarbeitungsmethoden ist das Fehlen adäquater Vorwärtsmodelle, die der Komplexität der Wellenausbreitung im Ultraschall gerecht werden und dennoch für Signalverarbeitungs-Anwendungen geeignet sind.Das beantragte Projekt hat zweierlei Ziele um den Stand der Technik zu verbessern: Das erste Ziel ist die Untersuchung existierender Vorwärtsmodelle mit dem Ziel, den besten Kompromiss zu finden zwischen der Genauigkeit der Modellierung physikalischer Ausbreitungsphänomene, wie Dispersion, akustische Schattierung und Gefügerauschen einerseits und der Anwendbarkeit für Methoden der Signalverarbeitung im Sinne der Modellkomplexität andererseits. Diese Untersuchungen sollen das System von der Anregung bis zur Nachverarbeitung als Gesamtheit betrachten. Darauf aufbauend ist ein zweites Ziel des Projekts die Konzeption effizienter Messaufbauten, die nur die für die Nachverarbeitung relevante Information in einer dafür optimierten Weise aufnehmen. Die theoretische Grundlage hierfür bilden der aktuelle Forschungsstand im Bereich der Sub-Nyquist-Sampling-Techniken wie „Compressed Sensing“ oder „Finite Rate of Innovation Sampling“, die es erlauben unter Ausnutzen von Vorwissen über das zu messende Signal die notwendige Datenrate erheblich zu reduzieren.Das Vorhaben soll insbesondere die Lücke zwischen neuen theoretischen Ergebnissen (die häufig idealisierte algebraische Modelle voraussetzen) und der Physik der Ultraschallwellenausbreitung schließen, um die theoretischen Ergebnisse anwendbar zu machen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Dr.-Ing. Florian Römer