Application de la Technique de Focalisation par Ouverture Synthétique (F-SAFT) pour l’amélioration
de la résolution latérale d’images échographiques
Nesrine Houhat, Redouane Drai Division de Traitement du Signal et Imagerie,
Centre de Recherche Scientifique et Technique en Soudage et Contrôle CSC,
Alger, Algérie {n.houhat, r.drai}@csc.dz
Tarek Boutkedjirt,
Equipe de Recherche Physique des Ultrasons, Laboratoire de Physique des Matériaux, Faculté de Physique,
USTHB, Alger, Algérie tarek_boutkedjirt@hotmail.com
Résumé— Dans le présent travail, la technique de Focalisation par ouverture synthétique (Synthetic Aperture Focusing Technique ou SAFT) a été utilisée afin de montrer son efficacité quant à l’amélioration de la résolution latérale d’images échographiques. Une étude expérimentale a été effectuée sur un bloc en acier comportant des défauts (trous) de diamètres variés séparés par différentes distances. Les images échographiques en B-scan des données brutes ainsi que ceux reconstruites par l’algorithme SAFT sont présentés.
Mots clés —Ultrasons, Technique de Focalisation par Ouverture Synthétique, SAFT, résolution latérale.
I. INTRODUCTION
Le contrôle non destructif (CND) par ultrasons est un domaine qui englobe plusieurs méthodes permettant la détection, la localisation ainsi que dimensionnement des défauts présents dans différentes structures. La technique de focalisation par ouverture synthétique (Synthetic Aperture Focusing Technique ou SAFT) est utilisée afin d’améliorer la résolution latérale des images ultrasonores en étendant l’ouverture de la source physique par des mesures successives à différentes positions équidistantes.
Cette technique a été utilisée dans le domaine de l’imagerie ultrasonore car elle présente deux principaux avantages : (1) Amélioration de la résolution latérale dans une large zone focale en augmentant le rapport signal sur bruit (SNR). (2) Amélioration du contraste des images ultrasonores en réduisant les effets de rétrodiffusion dues à la structure du milieu. Cette méthode est basée sur la théorie des interférences entre les fronts d’ondes. L’ouverture synthétique consiste à créer artificiellement une source d’émission plane en faisant interférer numériquement les ondes enregistrées à des positions et des temps différents [1].
Dans cette technique, la région d’intérêt (Region Of Interest ou ROI) doit être située dans le champ lointain du transducteur utilisé pour créer une ouverture synthétique.
Malheureusement, cettehypothèse n’est pas toujours respectée spécialement dans les applications du CND à hautes fréquences où le transducteur est en contact direct avec la structure inspectée. Deux types de problèmes peuvent se poser dans de tels dispositifs. Premièrement, les effets de diffraction du transducteur peuvent détériorer la qualité de l’image et, deuxièmement, l’échantillonnage spatial utilisé pour l’acquisition des signaux ultrasonores peut entrainer des artéfacts d’aliasing dans l’image résultante [2].
II. SAFT DANS LE DOMAINE DE FOURIER
La version 2D de la SAFT est une technique de calcul qui consiste à focaliser un champ acoustique sur un point situé à une profondeur z. Le traitement F-SAFT est une technique de propagation inverse (backpropagation) basé sur la méthode du spectre angulaire de la théorie de diffraction scalaire [1].
Pour une inspection à deux dimensions dans un milieu isotrope, un ensemble de champs acoustiques est recueilli. représente la position du transducteur sur la ligne de scan. 0 indique que les signaux sont recueillis à une profondeur z= 0 et est le temps.
Le calcul de la transformée de Fourier à 2 dimensions sur les variables (x, t) permet d’obtenir une superposition d’ondes planes ,z=0, ) telle que est la composante suivant x du nombre d’onde et ω la pulsation.
( ) , z=0, ) (1)
Nous supposons qu’un défaut est situé à une profondeur z et nous effectuons une propagation inverse (backpropagation) des ondes planes ,z=0, ) vers le réflecteur (défaut) et ce la en multipliant le champ transformé par de façon à ramener l’onde à sa source d’émission. Cette opération crée numériquement des interférences constructives et destructives.
Si aucun réflecteur n’est présent, les interférences sont aléatoirement constructives et destructives donnant
statistiquement, le même niveau de reconstitution pour cette région. En posant √ , nous obtenons :
, z=0, ) exp( √( ⁄ ) ) (2)
est la vitesse de phase de l’onde acoustique. La division par 2 revient au fait que l’onde ait parcouru e deux fois le trajet z entre le moment de l’émission et celui de la réception (mode écho).
Une sommation des ondes planes est faite sur les fréquences comme suit :
̅ =∑
Ω est la largeur de bande de fréquence du système. Cette sommation permet de ne garder que les fréquences d’intérêt.
Cette opération élimine la dépendance envers les fréquences de notre système. Il ne nous reste ainsi qu'à effectuer une transformée de Fourier spatiale inverse de ̅ afin de passer de l'espace des nombres d'ondes vers l'espace des distances x. Nous obtenons ainsi une fonction B(x,z) qui nous indique la présence des sources émettrices d'ondes, donc des réflecteurs (défauts).
( ̅ )
III. PARTIE EXPERIMENTALE
L'algorithme F-SAFT sera, par la suite testé et validé sur des données simples à traiter provenant d'une inspection par ondes de volume longitudinales.
A. Matériau étudié
L'échantillon étudié est un bloc d'acier de dimensions 100 mm x 95 mm x 38 mm environ dans lequel cinq trous à fond plat (défauts) de diamètres 4 mm séparés de 1, 2, 4 et 5 mm (bord des défauts) ont été percés par le fond à une profondeur de 8,1 mm. L'inspection a été faite sur la surface opposée aux défauts, telle qu'illustré sur la Fig. 1.
La région inspectée est de forme rectangulaire de côtés 50 mm et 20 mm et incluant les 5 défauts qui se trouvent approximativement au centre de la région (Fig. 2).
B. Dispositif expérimental
La figure 3 montre le dispositif expérimental utilisé. La chaîne de mesure comporte:
Un émetteur -récepteur à ultrasons (Sofranel 5073PR) dans lequel la partie émetteur se compose d'un générateur d'impulsions électriques de courte durée et de grande amplitude. Cette impulsion permet d'exciter un transducteur piézoélectrique dont le rôle est de
transformer cette impulsion en une déformation mécanique. La partie réception permet l'amplification,
Fig. 1 Schéma du bloc en acier inspecté.
Fig. 2 Coupe transversale de la région d’intérêt (Region of interest ROI)
l'atténuation et le filtrage des signaux reçus par le transducteur.
Un oscilloscope numérique de type Tektronix TDS2012 permet de numériser et de visualiser les signaux.
Des tiges en aluminium permettent de fixer le transducteur au système de balayage.
Un système de balayage micrométrique à deux directions de marque Isel permet le balayage mécanique du matériau étudié.
L'acquisition des signaux se fait par le biais d'une connexion oscilloscope-micro ordinateur via un bus GPIB. Des programmes développés sous Matlab permettent par la suite la visualisation et le traitement des signaux acquis sur ordinateur. Il permet également le pilotage du système automatique de balayage mécanique.
Un transducteur ultrasonore de marque Panametrics, plan, de diamètre 19 mm et de fréquence nominale 5 MHz est utilisé.
Une cuve en verre de 250 mm de largeur, de 250 mm de longueur et de 300 mm de hauteur contient le milieu de propagation (eau distillée).
Toutes les mesures ont été effectuées en mode écho.
Y
Y= 50 mm
X= 20 mm
ROI
X (3)
(4)
Fig. 3 Schéma simplifié de la chaîne de mesure pour la réalisation d’images échographiques par balayage mécanique.
Fig.4 Photographies de la chaîne de mesure pour la réalisation d’images échographiques par balayage mécanique.
C. Paramètres d’inspection
L’inspection a été effectuée en immersion dans une cuve remplie d’eau. Les paramètres de l’inspection sont résumés dans le tableau ci-dessous :
TABLEAUI.PARAMETRES DE L’INSPECTION.
Fréquence d’émission 5 MHz
Fréquence d’échantillonnage 100 MHz Nombre d’échantillons temporels 2500
Nombre d’acquisitions 41×101=4141 21×51=1071 Incrément spatial d’inspection 0,5 mm 1 mm Vitesse de propagation des ondes dans le
matériau
5917 m/s
Bande de fréquences sélectionnées 3,3213 à 5,9223 MHz Les données requises pour le fonctionnement du programme de commande du système de balayage sont la surface à balayer : définition de la longueur selon l’axe X et l’axe Y et le nombre de points de balayage selon les deux axes.
La bande de fréquences conservée a été sélectionnée manuellement sur le spectre d'un des signaux à -6 dB.
D. Résultats
La mesure de la vitesse de propagation de l'onde ultrasonore repose sur la mesure du temps de vol (Time Of Flight ou TOF) de cette onde dans l'échantillon. Pour cette mesure nous avons pris les 3premiers échos réfléchis sur la face arrière du bloc en acier. La vitesse de propagation peut alors être calculée suivant l'expression:
où h représente la distance parcourue par l'onde ultrasonore et le temps de vol.
Cette mesure peut être effectuée soit par une lecture directe de l'intervalle de temps sur l'écran de l'oscilloscope, soit par des techniques de traitement du signal telles que la transformée de Hilbert ou l'intercorrélation. Cette dernière méthode a été choisie dans ce travail.
La fonction d'intercorrélation permet de déterminer avec précision le retard entre deux signaux. Elle est donnée par :
∫
Sa transformée de Fourier est donnée par:
{ } { } { } où * désigne le complexe conjugué.
Le retard correspond au maximum de la fonction d'intercorrélation.
Le tableau suivant résume les résultats obtenus :
TABLEAUII.VALEURS MESUREES DE LA VITESSE DE GROUPE DES ULTRASONS DANS LE BLOC D’ACIER.
h ( m)
( V (m/s) 1er et 2ème
écho
38,5 1,29 5947±4
2 ème et 3ème écho
38,5 1,31 5950±2
1er et 3ème écho
77,0 2.59 5855±3
Il est à noter que les valeurs obtenues sont du même ordre de grandeur que les valeurs de la vitesse des ultrasons dans l’acier dans la littérature. Nous prendrons pour valeur de la vitesse, la moyenne des résultants obtenus.
La figure ci-dessous montre une vue d’ensemble des échos recueillis à une position x= 0mm, y= 4 mm par le transducteur de fréquence nominale 5 MHz (Fig. 5). Cela montre la (6)
(7)
(8)
structure du matériau étudié. Nous relevons l’écho de la face avant; c’est l’écho qui arrive en premier et dont l’amplitude est la plus importante. En 2ème position se trouve l’écho provenant de l’un des défauts dont l’amplitude est assez importante à cette position. Enfin, arrive l’écho provenant de la face arrière de l’échantillon.
Fig. 5 Exemple d’un signal recueilli à la position x= 0mm, y= 4mm.
Transducteur de fréquence nominale 5MHz.
Les figures 6 et 7 présentent le B-scan des données brutes et le résultat de l’application de la F-SAFT sur ces données. Ces dernières ont été acquises avec deux pas d’échantillonnage spatiaux différents qui sont, respectivement, 1 mm et 0,5 mm.
Ces résultats sont tous représentés sous la forme de la valeur absolue des amplitudes.
On voit bien que la méthode F- SAFT apporte une amélioration de la résolution latérale. Cette amélioration est plus parlante pour les deux défauts séparés par une distance de 1 mm (à gauche). Il est à noter qu’il est plus facile de discerner les 2 trous sur l’image F- SAFT alors que sur les B-scan des données brutes, les deux défauts sont confondus et apparaissent comme étant un seul trou de plus grande dimension par rapport aux autres.
La méthode F- SAFT montre des défauts de dimensions différentes alors que dans la réalité, ces derniers ont tous la même dimension (4 mm). L’étalement des défauts selon la profondeur z est dû à la largeur de l’impulsion. Cela apparaît également sur la face avant de la pièce se situant à partir de z= 151 mm. Les défauts apparaissent à z= 182 mm, ce qui est en accord avec leurs positions réelles. Quant à la face arrière, elle se situe à z= 190 mm.
L’étalement des défauts selon l’axe Y est dû à l’ouverture finie du transducteur qui conduit à la diffraction du faisceau incident.
La figure 8 représente deux images C-scan obtenues à différentes profondeurs : z= 171,2 mm et z= 171, 1 mm. Il est à
Fig. 6 Images échographiques B-scan (à gauche) obtenues avec un pas d’échantillonnage spatial égal à 1mm (1071 points), Résultats obtenus après
traitement par la méthode F- SAFT (à droite).
Fig. 7 Images échographiques Bscan (à gauche) obtenues avec un pas d’échantillonnage spatial égal à 0, 5mm (4141 points) , Résultats obtenus après
traitement par la méthode F- SAFT (à droite).
noter que sur ces images, les deux trous les plus rapprochés sont confondus. On peut également s’apercevoir qu’il existe un problème de parallélisme dans le dispositif expérimental utilisé. Cela peut être aussi constaté sur les images B-scan par l’inclinaison de la face avant de la pièce.
IV. CONCLUSION
Cette étude nous a permis de montrer, d’une façon qualitative, l’efficacité de la méthode F- SAFT pour l’amélioration de la résolution latérale d’images échographiques. Afin de mettre en exergue cela, une amélioration des conditions de mesure est prévue et une étude quantitative viendra, compléter ce travail.
Fig.8 Images échographiques C Scan obtenus à deux profondeurs différentes : z= 171,2 mm et z= 171, 1 mm.
REFERENCES
[1] R. Sicard, “ Nouvelles méthodes d'imagerie acoustique pour l'inspection par ondes de Lamb et ondes de volume”, Maitrise en Physique, Université du Québec, 2000.
[2] T. Stepinski and F. Lingvall, “Synthetic aperture focusing techniques for ultrasonic imaging of solid objects”. EUSAR 2010.
