Phasenkohärenz-Bildgebung (PCI)
Die Phasenkohärenz-Bildgebung (englisch: Phase Coherence Imaging, PCI) ist ein modernes Ultraschall-Bildgebungsverfahren, das auf der Auswertung der Phaseninformation von Vollmatrix-Erfassungsdaten (Full Matrix Capture, FMC) basiert. Im Gegensatz zur konventionellen Amplitudenbildgebung — wie sie beim Total Focusing Method (TFM) eingesetzt wird — nutzt PCI die Kohärenz der Phase über alle Sende-Empfangs-Kombinationen hinweg als primäres Bildgebungskriterium.
Grundlage: Full Matrix Capture (FMC)
Bei der FMC-Technik sendet jedes Element eines Phased-Array-Prüfkopfs sequenziell einen Ultraschallimpuls aus, während alle anderen Elemente gleichzeitig empfangen. Für einen Prüfkopf mit N Elementen entstehen so N² A-Bild-Datensätze (die sogenannte Vollmatrix). Diese vollständige Datenmenge enthält alle akustischen Informationen über das Prüfvolumen und bildet die Grundlage für nachgelagerte Rekonstruktionsalgorithmen wie TFM und PCI.
Kohärenzfaktor und Phasenauswertung
Beim TFM-Verfahren werden die Amplituden der Wellenfelder aller Sende-Empfangs-Paare für jeden Bildpunkt kohärent aufsummiert (synthetische Apertur). Das Ergebnis ist empfindlich gegenüber dem tatsächlichen Reflexionsvermögen, aber auch gegenüber kohärentem Rauschen (Gefügerauschen, Speckle).
PCI wertet stattdessen die Kohärenz der Phase aus: Für einen echten Reflektor (Fehler, Rückwand, Grenzfläche) treffen die Ultraschallwellen aller Sende-Empfangs-Kombinationen mit hoher Phasenkonsistenz ein — die Phase variiert wenig. An einem rauschdominierten Bildpunkt hingegen sind die Phasen nahezu zufällig verteilt. Der Kohärenzfaktor (CF) wird als normiertes Maß für diese Phasenkonsistenz berechnet:
CF(x,z) = |Σ exp(iφ_k)| / N
wobei φ_k die Phase des k-ten Sende-Empfangs-Paares am Bildpunkt (x,z) ist und N die Anzahl der Paare. CF liegt zwischen 0 (vollständig inkohärent, reines Rauschen) und 1 (vollständig kohärent, echter Reflektor). Das PCI-Bild ergibt sich aus der Multiplikation des TFM-Amplitudenbilds mit dem Kohärenzfaktor.
Vorteile gegenüber TFM
- Signifikante Rauschunterdrückung: Gefügerauschen und Speckle-Artefakte werden stark reduziert, da zufällige Beiträge durch die Phasenmittelung herausfallen. Dies ermöglicht den Nachweis kleiner Fehler in stark streuenden Werkstoffen (Guss, Schweißgut, CFK).
- Verbesserter Kontrast: Das Verhältnis Signal/Rauschen (SNR) wird gegenüber TFM typischerweise um 6–12 dB verbessert.
- Keine zusätzliche Messung erforderlich: PCI wird aus denselben FMC-Daten berechnet wie TFM — es entsteht kein zusätzlicher Prüfaufwand.
- Robustheit bei komplexen Geometrien: PCI zeigt auch bei welligen oder rauen Oberflächen eine geringere Empfindlichkeit gegenüber geometrisch bedingtem Rauschen.
Algorithmusvarianten
Neben dem klassischen Kohärenzfaktor existieren erweiterte Varianten: der Sign Coherence Factor (SCF), der nur das Vorzeichen der Phase auswertet und besonders rechengünstig ist, sowie der Phase Coherence Factor nach Camacho und Fritsch (2009), der eine robustere statistische Grundlage bietet. Alle Varianten lassen sich effizient auf modernen GPU-basierten Prüfsystemen in Echtzeit berechnen.
Anwendungen
PCI findet zunehmend Anwendung in Bereichen, in denen TFM an seine Grenzen stößt:
- Austenitische Schweißnähte: Stark anisotropes, grobkörniges Gefüge verursacht hohes Streurauschen; PCI ermöglicht die Detektion von Bindefehlern und Rissen trotz schwieriger Ausbreitungsbedingungen.
- Gussteile: Dendritisches Gefüge erzeugt ausgeprägte Streusignale; PCI verbessert die Detektierbarkeit von Lunkern und Porosität.
- CFK-Bauteile: Delaminations- und Porositätsdetektion in mehrlagigen Laminaten mit hohem Gefügerauschen.
- Korrosionsdetektion: Wanddickenmessung an korrodierten Rohren, bei denen unregelmäßige Rückwandreflexionen auftreten.
Stand der Normierung
PCI ist noch nicht explizit in internationalen Prüfnormen verankert, wird jedoch in der Forschungsliteratur intensiv diskutiert und findet zunehmend Eingang in kommerzielle Prüfsysteme (z. B. Zetec, Evident/Olympus). Die Grundlagen der FMC/TFM-Technik sind in ISO 23865 geregelt; PCI-spezifische Anforderungen werden in zukünftigen Revisionen erwartet.