Data Fusion for Multi-Sensor Nondestructive Detection of Surface Cracks in Ferromagnetic Materials

Abstract

Ermüdungsrissbildung ist ein gefährliches und kostenintensives Phänomen, welches frühzeitig erkannt werden muss. Weil kleine Fehlstellen jedoch hohe Testempfindlichkeit erfordern, wird die Prüfzuverlässigkeit durch Falschanzeigen vermindert. Diese Arbeit macht sich deshalb die Diversität unterschiedlicher zerstörungsfreier Oberflächenprüfmethoden zu Nutze, um mittels Datenfusion die Zuverlässigkeit der Fehlererkennung zu erhöhen. Der erste Beitrag dieser Arbeit in neuartigen Ansätzen zur Fusion von Prüfbildern. Diese werden durch Oberflächenabtastung mittels Wirbelstromprüfung, thermischer Prüfung und magnetischer Streuflussprüfung gewonnen. Die Ergebnisse zeigen, dass schon einfache algebraische Fusionsregeln gute Ergebnisse liefern, sofern die Daten adäquat vorverarbeitet wurden. So übertrifft Datenfusion den besten Einzelsensor in der pixelbasierten Falscherkennungsrate um den Faktor sechs bei einer Nutentiefe von 10 μm. Weiterhin wird die Fusion im Bildtransformationsbereich untersucht. Jedoch werden die theoretischen Vorteile solcher richtungsempfindlichen Transformationen in der Praxis mit den vorliegenden Daten nicht erreicht. Nichtsdestotrotz wird der Vorteil der Fusion gegenüber Einzelsensorprüfung auch hier bestätigt. Darüber hinaus liefert diese Arbeit neuartige Techniken zur Fusion auch auf höheren Ebenen der Signalabstraktion. Ein Ansatz, der auf Kerndichtefunktionen beruht, wird eingeführt, um örtlich verteilte Detektionshypothesen zu integrieren. Er ermöglicht, die praktisch unvermeidbaren Registrierungsfehler explizit zu modellieren. Oberflächenunstetigkeiten von 30 μm Tiefe können zuverlässig durch Fusion gefunden werden, wogegen das beste Einzelverfahren erst Tiefen ab 40–50 μm erfolgreich auffindet. Das Experiment wird auf einem zweiten Prüfkörper bestätigt. Am Ende der Arbeit werden Richtlinien für den Einsatz von Datenfusion gegeben, und die Notwendigkeit einer Initiative zum Teilen von Messdaten wird betont, um zukünftige Forschung zu fördern.

Fatigue cracking is a dangerous and cost-intensive phenomenon that requires early detection. But at high test sensitivity, the abundance of false indications limits the reliability of conventional materials testing. This thesis exploits the diversity of physical principles that different nondestructive surface inspection methods offer, by applying data fusion techniques to increase the reliability of defect detection. The first main contribution are novel approaches for the fusion of NDT images. These surface scans are obtained from state-of-the-art inspection procedures in Eddy Current Testing, Thermal Testing and Magnetic Flux Leakage Testing. The implemented image fusion strategy demonstrates that simple algebraic fusion rules are sufficient for high performance, given adequate signal normalization. Data fusion reduces the rate of false positives is reduced by a factor of six over the best individual sensor at a 10 μm deep groove. Moreover, the utility of state-of-the-art image representations, like the Shearlet domain, are explored. However, the theoretical advantages of such directional transforms are not attained in practice with the given data. Nevertheless, the benefit of fusion over single-sensor inspection is confirmed a second time. Furthermore, this work proposes novel techniques for fusion at a high level of signal abstraction. A kernel-based approach is introduced to integrate spatially scattered detection hypotheses. This method explicitly deals with registration errors that are unavoidable in practice. Surface discontinuities as shallow as 30 μm are reliably found by fusion, whereas the best individual sensor requires depths of 40–50 μm for successful detection. The experiment is replicated on a similar second test specimen. Practical guidelines are given at the end of the thesis, and the need for a data sharing initiative is stressed to promote future research on this topic.