Ανάπτυξη μεθόδων επεξεργασίας δεδομένων γεωραντάρ με τη χρήση του μετασχηματισμού S

Abstract

In this PhD thesis, a methodology for efficient time-variant deconvolution for GPR data is proposed, which is mainly implemented in the t-f domain, using S-transform. GPR sections encounter a resolution reduction with depth, because for electromagnetic (E/M) waves propagating in the subsurface attenuation is typically more pronounced at higher frequencies. In order to correct for these effects, a spectral balancing technique, using the S-transform, is proposed. This signal processing technique avoids the drawbacks of inverse Q* filtering techniques, namely the need for the estimation of the attenuation factor Q* from the GPR section and the instability of dominant frequency dependent estimation of Q* methods because of scattering effects. The proposed method designs and applies a gain in t-f domain and involves the selection of a time-variant bandwidth to reduce high frequency noise. This method requires a reference amplitude spectrum for spectral shaping. It performs spectral balancing, which works efficiently for GPR data when it is applied in very narrow time windows. Furthermore, it is demonstrated that spectral balancing must be applied prior deconvolution, rather than being an alternative technique. After wavelet deconvolution a further correction of the residual phases is taking place using the maximization of kurtosis method. This phase only deconvolution final step is needed, in order the outcome to correspond to zero phase band pass reflectivity series. The technique’s efficiency is demonstrated first on synthetic data. Then, it is applied on a dataset acquired over a controlled experiment for buried in sand utilities detection and reflections from the water table and a capillary zone above it are revealed. The proposed methodology was also tested on a dataset acquired in the Bissen quarry, in Wisconsin of the US and its ability to delineate reflections buried in noise and wavelet ringing is demonstrated. Finally the proposed methodology is applied on a dataset from an area where buried metallic tanks existed proving its efficiency in increasing the temporal resolution.

Στην παρούσα διατριβή αναπτύσσεται μεθοδολογία χρονικά μεταβαλλόμενης αποσυνέλιξης δεδομένων γεωραντάρ με την χρήση του μετασχηματισμού S. Οι τομές γεωραντάρ αποκτούν μείωση της χρονικής ανάλυσης με το βάθος, λόγω του ότι τα Η/Μ κύματα παρουσιάζουν απόσβεση, η οποία συνήθως είναι εμφανέστερη στις αρμονικές υψηλών συχνοτήτων. Κατ΄ αρχήν προτείνεται μεθοδολογία εξισορρόπησης φάσματος για την διόρθωση των κυματομορφών σχετικά με τοπαραπάνω φαινόμενο. Με την χρήση της τεχνικής αυτής αποφεύγονται τα προβλήματα των διάφορων τεχνικών αντίστροφου φίλτρου Q*, τα οποία συνοψίζονται κυρίως στην ανάγκη εκτίμησης του συντελεστή Q* και στην αστάθεια εκτίμησης αυτού με μεθόδους που βασίζονται στην κυρίαρχη συχνότητα λόγω του φαινόμενου της διασποράς. Με την χρήση της προτεινόμενης μεθοδολογίαςεξισορρόπησης φάσματος σχεδιάζεται και εφαρμόζεται ενίσχυση των πλατών των κυματομορφών στον χώρο t-f και επιλέγεται χρονικά μεταβαλλόμενο εύρος συχνοτήτων για την μείωση κυρίως του υψίσυχνου θορύβου. Απαιτείται δε πλάτος του φάσματος αναφοράς για περεταίρω μορφοποίηση του πλάτους του φάσματος της καταγραφής. Σημειωτέον, ότι μέσω της εν λόγω τεχνικής πραγματοποιείται εξισορρόπηση φάσματος σε χρονικά παράθυρα μικρής διάρκειας του κάθε ίχνουςγεωραντάρ ξεχωριστά, έτσι ώστε να είναι αποτελεσματική. Επιπλέον, δείχνεται ότι η εξισορρόπηση φάσματος είναι προαπαιτούμενο βήμα για την αποσυνέλιξη και όχι εναλλακτική μεθοδολογία για την αύξηση της χρονικής ανάλυσης, όπως αναφέρεται στην σύγχρονη βιβλιογραφία. Μετά από αποσυνέλιξη κυματιδίου, πραγματοποιείται περεταίρω διόρθωση της υπολειμματικής φάσης τωνκαταγραφών με την χρήση της μεθόδου μεγιστοποίησης της κύρτωσης. Το τελευταίο αυτό βήμα επεξεργασίας, που στην ουσία είναι αποσυνέλιξη φάσης, θεωρείται απαραίτητο ώστε το παραγόμενο αποτέλεσμα να περιγράφεται από κυματίδια μηδενικής φάσης, που προσομοιάζουν τους περιορισμένου εύρους συντελεστές ανάκλασης (band-pass reflectivity series). Η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης μεθοδολογίας αποσυνέλιξης φαίνεται κατ΄αρχήν μετά την εφαρμογή της σε συνθετικά δεδομένα. Εφαρμόζεται επίσης σε δεδομένα από ελεγχόμενο πείραμα και φανερώνονται οι ανακλάσεις του υδροφόρου ορίζοντα και υπερκείμενης ακόρεστης ζώνης. Η εν λόγω μεθοδολογία δοκιμάστηκε επίσης σε δεδομένα από μετρήσεις στο λατομείο Bissen, το οποίο βρίσκεται περίπου 13 χιλιόμετρα Νοτιοδυτικά του λιμανιού Sturgeon, στο Wisconsin των ΗνωμένωνΠολιτειών, φανερώνοντας ανακλάσεις που δεν ήταν εμφανείς λόγω του θορύβου και της επίδρασης της κυρίαρχης κυματομορφής. Τέλος, η προτεινόμενη μεθοδολογία εφαρμόστηκε σε δεδομένα από περιοχή με θαμμένες μεταλλικές δεξαμενές αυξάνοντας ικανοποιητικά την χρονική ανάλυση των κυματομορφών.