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 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 421389590

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im Rahmen des Projekts CoSMaDU haben wir uns mit den Herausforderungen der Ultraschallmodellierung und dem hohen Ressourcenbedarf (z. B. Anzahl der Sensoren, steigende Datenraten) befasst, indem wir lineare Modelle untersucht haben, die die Ultraschallausbreitung genauer abbilden und sich gleichzeitig in den leistungsstarken algorithmischen Rahmen der Signalverarbeitung einbetten lassen. Insbesondere wurden Forschungsarbeiten in Richtung CS auf der Ebene der Algorithmen und der Messarchitektur durchgeführt. Wir haben neue Rekonstruktionsverfahren entwickelt, die verbesserte Vorwärtsmodellierungstechniken (insbesondere Reihenentwicklungen und Ray Casting für komplexe Geometrien sowie den Fall der Mehrfachstreuung) und CS integrieren. Gleichzeitig wurden die Kompressionsverfahren so konzipiert, dass sie nicht nur aus akademischer Sicht interessant sind, sondern sich auch für realistisch umsetzbare Hardwareimplementierungen eignen. Dies wurde durch die Berücksichtigung der Kompression durch räumliche und frequenzmäsige Unterabtastung erreicht, für die optimale Unterabtastungsmuster untersucht wurden. Die so gewonnenen Muster führen zu einer Verbesserung der Messgeschwindigkeit, der Rekonstruktionsgenauigkeit oder in einigen Fällen zu beidem. Im Falle von handgeführten Messungen wurde auch die natürlich vorkommende räumliche Unterabtastung untersucht. Die im Rahmen dieses Projekts gewonnenen Ansätze zur Vorwärtsmodellierung und Unterabtastung wurden in CS-Rekonstruktionsrahmen integriert und auf Rohrinspektions- und Computertomografie-Szenarien angewandt, wobei gute Ergebnisse erzielt wurden. Diese Ergebnisse wurden mit Künstlicher Intelligenz (KI) kombiniert und zeigten vielversprechende Ergebnisse und eine hohe Affinität zu aktuellen Themen wie modellbasiertem DL und adaptiver Sensorik. Darüber hinaus wurden theoretische Schranken verwendet, um sowohl die Leistung der Unterabtastungsmuster als auch die Auswirkungen einer genauen Modellierung bei der Rekonstruktion von Defektkarten zu analysieren. Die Beiträge von CoSMaDU bestehen aus insgesamt 11 Publikationen, sowie mehreren Bachelor- und Masterarbeiten und einer zusätzlichen Arbeit, die bei einem Journal eingereicht wurde.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• 3D reconstruction of handheld data by SAFT and the influence of measurement inaccuracies. 2019 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), 2095-2098. IEEE.
  Krieg, Fabian; Kodera, Sayako; Kirchhof, Jan; Romer, Florian; Ihlow, Alexander; Lugin, Sergey; Osman, Ahmad & Galdo, Giovanni Del
  
• Total Focusing Method with Subsampling in Space and Frequency Domain for Ultrasound NDT. 2019 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), 2103-2106. IEEE.
  Perez, Eduardo; Kirchhof, Jan; Semper, Sebastian; Krieg, Fabian & Romer, Florian
  
• Cramér-Rao Bounds for Flaw Localization in Subsampled Multistatic Multichannel Ultrasound Ndt Data. ICASSP 2020 - 2020 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP), 4960-4964. IEEE.
  Perez, Eduardo; Kirchhof, Jan; Semper, Sebastian; Krieg, Fabian & Romer, Florian
  
• Subsampling Approaches for Compressed Sensing with Ultrasound Arrays in Non-Destructive Testing. Sensors, 20(23), 6734.
  Pérez, Eduardo; Kirchhof, Jan; Krieg, Fabian & Römer, Florian
  
• Compressed Sensing: From Big Data to Relevant Data. Handbook of Nondestructive Evaluation 4.0, 1-24. Springer International Publishing.
  Römer, Florian; Kirchhof, Jan; Krieg, Fabian & Pérez, Eduardo
  
• Compressed Ultrasound Computed Tomography in NDT. 2021 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), 1-4. IEEE.
  Perez, Eduardo; Semper, Sebastian; Kirchhof, Jan; Krieg, Fabian & Romer, Florian
  
• Frequency Subsampling of Ultrasound Nondestructive Measurements: Acquisition, Reconstruction, and Performance. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 68(10), 3174-3191.
  Kirchhof, Jan; Semper, Sebastian; Wagner, Christoph W.; Perez, Eduardo; Romer, Florian & Del, Galdo Giovanni
  
• Locally Optimal Subsampling Strategies for Full Matrix Capture Measurements in Pipe Inspection. Applied Sciences, 11(9), 4291.
  Krieg, Fabian; Kirchhof, Jan; Pérez, Eduardo; Schwender, Thomas; Römer, Florian & Osman, Ahmad
  
• Preprocessing of Freehand Ultrasound Synthetic Aperture Measurements using DNN. 2021 29th European Signal Processing Conference (EUSIPCO), 1401-1405. IEEE.
  Pandey, Rick; Kirchhof, Jan; Krieg, Fabian; Perez, Eduardo & Romer, Florian
  
• Deep Learning Aided Interpolation of Spatio-Temporal Nonstationary Data. 2022 30th European Signal Processing Conference (EUSIPCO), 2221-2225. IEEE.
  Kodera, Sayako; Romer, Florian; Perez, Eduardo; Kirchhof, Jan & Krieg, Fabian
  
• Deep Learning-Based Optimal Spatial Subsampling in Ultrasound Nondestructive Testing. 2023 31st European Signal Processing Conference (EUSIPCO), 1863-1867. IEEE.
  Wang, Han; Pérez, Eduardo & Römer, Florian