Imagerie de matériaux anisotropes par inversion de forme d’onde complète de signaux ultrasonores

Imaging of anisotropic materials by full waveform inversion of ultrasonic signals

Lieu/ site : Institut des Sciences de la Terre, Université Joseph Fourier – GRENOBLE
Durée / duration : 6 mois / 6 months

Contacts :
–  Ludovic Moreau (ludovic.moreau ujf-grenoble.fr)
–  Jean Virieux (Jean.Virieux ujf-grenoble.fr)
–  Romain Brossier (romain.brossier ujf-grenoble.fr)

Imagerie de matériaux anisotropes par inversion de forme d’onde complète de signaux ultrasonores


Mots-clés : ultrasons, imagerie, diffraction, problèmes inverses

Sujet :

Les méthodes ultrasonores comptent parmi les outils de référence pour imager un milieu, dans des disciplines variées comme l’imagerie médicale, le contrôle non destructif (CND), etc. Les techniques d’imagerie ultrasonores actuelles sont généralement basées sur des sommations cohérentes de signaux acoustiques [1] (tomographie, échographie…), lesquelles requièrent une connaissance a priori des propriétés élastiques du milieu à imager (densité, vitesses de propagation, anisotropie, atténuation). Dans le cadre du CND, les milieux à imager peuvent être fortement anisotropes avec des propriétés élastiques inconnues. Les techniques d’imagerie usuelles sont alors inadaptées.

Lors du stage, l’étudiant adaptera une méthode issue de la géophysique, l’inversion de forme d’onde complète, ou full waveform imaging [2] (FWI), à l’imagerie de soudures pour le CND. La FWI consiste à déterminer, via une modélisation multi-paramétrique du problème direct de la propagation des ondes, les paramètres qui permettent de reconstruire les formes d’onde des signaux mesurés expérimentalement. Contrairement aux techniques basées sur des sommations cohérentes de signaux où seule la phase des signaux est utilisée, cette méthode prend également en compte leur amplitude, permettant d’une part une caractérisation plus fine du milieu à imager et d’autre part d’éviter les artefacts inhérents à la différence de vitesses de propagation des ondes longitudinales et transverses. La FWI sera d’abord appliquée à la caractérisation de l’anisotropie des soudures, en déterminant l’orientation des grains métalliques. L’imagerie complète de la soudure sera ensuite réalisée.

Le profil recherché correspond à un(e) étudiant(e) ayant un attrait pour les aspects expérimentaux et pour la modélisation, avec des connaissances sur les phénomènes de propagation et de diffraction des ondes. Des connaissances complémentaires en traitement du signal ainsi qu’en méthodes numériques (éléments finis, différences finies) seront appréciées.
 
Imaging of anisotropic materials by full waveform inversion of ultrasonic signals

Keywords : ultrasound, imaging, scattering, inverse problems

Abstract :

Ultrasonic methods represent one of the reference methods to image a medium, in various fields such as nondestructive testing (NDT) or medical imaging. Current ultrasound-based imaging techniques are mostly beam forming approaches [1] (tomography, echography…), which require a priori knowledge of the elastic properties of the medium to image (density, stiffness, attenuation, anisotropy). In the field of NDT, the media may be strongly anisotropic with unknown elastic properties, thus making current imaging methods non-adapted.

During the internship, the student will adapt the full waveform inversion [2] (FWI), a method taken from the field of Geophysics, to image welds in the field of NDT. The FWI consists of determining, based on the use of multi-parametric modeling of the direct problem, the parameters that allow the reconstruction of the waveforms measured experimentally. Contrary to beam forming methods where only phase is used, this method also uses the amplitude information. This allows i) a finer characterization of the inspected medium and ii) avoiding imaging artifacts inherent to the difference of velocity of the longitudinal and transverse waves. The FWI will first be applied to the characterization of the anisotropy of welds, by determining the metallic grain orientation. Then, the full image of the weld will be realized.

The student is expected to show an interest in both experimental and numerical investigations of the wave propagation phenomenon. Also, a good background in in signal processing, as well as in wave propagation in solid media, is preferable.

Références / References :
1 - C. Holmes, B . W. Drinkwater and P.D. Wilcox, Post-processing of the full matrix of ultrasonic transmit–receive array data for non-destructive evaluation, NDT & E International 38 (8), 2005.
2 - Virieux, J. & S. Operto. An overview of full waveform inversion in exploration geophysics, Geophysics, 74(6), 2009.