Study of Fourier-domain ultrasonic reconstruction algorithms for fast 2D and 3D imaging in nondestructive testing

Ce travail de thèse s’intéresse à l’imagerie ultrasonore multi-éléments pour le Contrôle Non-Destructif (CND), et vise à accélérer l’imagerie échographique en 2D et 3D. Les méthodes étudiées s’inspirent des algorithmes de reconstruction dans le domaine de Fourier (f-k) en imagerie sismique. La littérature montre que ces méthodes offrent un avantage numérique par rapport à celles dans le domaine temporel basées sur un principe de focalisation en émission/réception. D’autre part, l’essor des traducteurs multi-éléments a permis d’explorer de nouveaux modes d’émission, comme les ondes planes en imagerie médicale ultra-rapide. Dans cette thèse, on se propose de combiner les algorithmes rapides du domaine f-k avec des émissions planes pour calculer des images aussi rapidement que possible. Ces algorithmes sont adaptés pour traiter des configurations d’inspection usuelles en CND. Une analyse des complexités algorithmiques, des temps de calcul et de la qualité des reconstructions est menée en 2D. La comparaison avec la méthode temporelle Plane Wave Imaging (PWI) démontre un avantage certain pour l’imagerie f-k. Ces avantages sont confirmés en 3D où l’on démontre que cette dernière améliore la qualité d’image tout en réduisant le temps de calcul d’un facteur allant jusqu’à 300 par rapport à PWI. Enfin, la méthode f-k est généralisée à l’imagerie multimodale pour la caractérisation de fissures. La théorie est d’abord présentée, puis on montre qu’il est possible d’améliorer la qualité des reconstructions grâce à un fenêtrage des fréquences spatiales de l’image. Ce filtre spectral élimine des artéfacts d’imagerie liés à des échos de géométrie, améliorant ainsi le contraste des images.This research work deals with ultrasound imaging with transducer arrays for Non Destructive Testing (NDT), and aims at speeding up the formation of 2D and 3D images. The methods studied in this manuscript are inspired from reconstruction algorithms in the Fourier frequency-wavenumber (f-k) domain introduced in seismic imaging in the 70’s. The literature shows that f-k methods offer a numerical advantage over the more conventional time-domain focusing algorithms. On the other hand, the rise of transducer arrays has allowed for the exploration of new emission modes, such as plane wave emissions in ultra-fast medical imaging. In this thesis, we propose to combine fast f-k algorithms with plane wave emissions to form 2D and 3D images as fast as possible. These algorithms are adapted to deal with realistic NDT inspection configurations. Analyses of algorithmic complexities, computation times, and image qualities are carried out in 2D, and a comparison with the time-domain Plane Wave Imaging (PWI) shows a clear advantage for f-k methods. This is confirmed in 3D, where we show that Fourier domain algorithms improve image quality while reducing computation times by a factor up to 300 compared to PWI. Finally, the f-k methods are generalized to multi-modal imaging to characterize cracks. The theory, which accounts for mode conversions and reflections at the specimen interfaces, is first presented, and we then demonstrate that it is possible to improve the reconstruction quality thanks to spectral windowing in the image frequency-domain. This spectral filter cancels undesired artifacts caused by interface echoes, and improves the image contrast