Nuevos métodos de análisis cuantitativo de datos de georradar mediante el estudio de la influencia de las propiedades electromagnéticas del medio
Authors:   , Paredes Palacios David 
Published: November 2024

La prospección geofísica mediante georradar permite la identificación de ciertos elementos o estructuras presentes en el subsuelo, con gran rapidez y un alto grado de resolución. Es por ello, que el objetivo general planteado en esta tesis consiste en el análisis de las propiedades electromagnéticas del medio a partir de datos de georradar, mediante el planteamiento de tres objetivos específicos orientados al análisis cuantitativo y numérico de las señales.

El primer objetivo propuesto consiste en el desarrollo de herramientas que permitan el estudio de pavimentos asfálticos mediante el análisis de la señal de georradar y más concretamente en la caracterización automática de capas y en el análisis del contenido de humedad. El segundo objetivo específico se centra en analizar los datos de georradar en el espectro de frecuencias para obtener la frecuencia dominante y el ancho de banda como índices que se pueden relacionar con la presencia de ciertos contaminantes en el medio investigado. El tercer y último de los objetivos definidos consiste en el desarrollo de un método experimental que permita obtener valores de permitividad eléctrica, por la importancia de este parámetro en la determinación de la velocidad de propagación de las señales de georradar.

Los estudios derivados del análisis de la señal de georradar para la evaluación de pavimentos asfálticos han demostrado que, a partir de la comparación de amplitudes mediante el coeficiente de correlación de Pearson, junto con otros criterios basados en la información contenida en la curva envolvente y en los datos procedentes de puntos de control, es posible obtener una caracterización automática de los reflectores de interés. Además, mediante el análisis del grado de atenuación de la señal de georradar se ha conseguido identificar en los radargramas aquellas zonas con alto contenido en humedad.

Por otro lado, la metodología propuesta para la optimización del análisis del ancho de banda y de la frecuencia dominante ha permitido delimitar las zonas contaminadas en un caso de estudio, asociándolas a aquellas en las que se produce una variación notable con respecto al espectro de frecuencias promedio de los perfiles de georradar.

En cuanto a las medidas realizadas con el analizador de impedancias, se ha conseguido cuantificar la influencia de la humedad y de la conductividad en los valores de la permitividad eléctrica del medio. Este parámetro resulta determinante para poder calcular la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas durante el proceso de atribución de profundidades en el ámbito de aplicación del georradar.

Como conclusión general se puede afirmar que la interpretación cuantitativa de los datos de georradar debería reemplazar a la tradicional interpretación visual de los radargramas. Por ello, las diferentes metodologías propuestas en esta tesis resultan de especial interés para ciertas investigaciones, como la caracterización de zonas contaminadas o el análisis del grado de humedad.

En lo referente a la metodología propuesta en el análisis de las aplicaciones del georradar para el estudio de pavimentos asfálticos, se ha conseguido desarrollar una herramienta que permite, por un lado, la delimitación de capas del firme de una carretera de forma automática y por otro, cuantificar la presencia de humedades en el mismo por su relación con la atenuación de las señales de georradar.

En cuanto al análisis conjunto del ancho de banda y la frecuencia dominante, la metodología propuesta ha demostrado su capacidad para obtener rápidos resultados relacionados con la presencia de contaminantes en el subsuelo, que a su vez dependen directamente de la conductividad y del grado de atenuación del medio investigado.

Finalmente, en relación a la determinación de la permitividad eléctrica a partir del analizador de impedancias, se puede destacar que el método experimental desarrollado ofrece una fuerte estabilidad en las medidas realizadas para un amplio rango de frecuencias.

ABSTRACT

Geophysical prospecting by GPR (ground penetrating radar) allows the identification of certain elements or structures present in the subsoil, with great quickness and a high degree of resolution. Therefore, the general objective of this thesis is the analysis of the electromagnetic properties of the medium from GPR data, by means of three specific objectives oriented to the quantitative and numerical analysis of the signals.

The first proposed objective consists in the development of tools that allow the study of asphalt pavements through the analysis of the GPR signal and more specifically in the automatic characterization of the layers and in the analysis of the moisture content. The second specific goal focuses on analyzing the GPR data in the frequency spectrum to obtain the dominant frequency and bandwidth as parameters that can be related to the presence of certain contaminants in the investigated medium. The third and last of the defined aims consists of the development of an experimental method to obtain the dielectric permittivity values, due to the importance of this parameter in the determination of the propagation velocity of the GPR signals.

The studies derived from the analysis of the GPR signal for the evaluation of asphalt pavements have shown that, from the comparison of amplitudes by means of the Pearson correlation coefficient, together with other criteria based on the information contained in the envelope curve and in the data from control points, it is possible to obtain an automatic characterization of the reflectors of interest. In addition, by analyzing the degree of attenuation of the GPR signal, it has been possible to identify in the radargrams those areas with high moisture content.

On the other hand, the methodology proposed for the optimization of the bandwidth and dominant frequency analysis has allowed delimiting the contaminated zones in a case study, associating them to those in which there is a notable variation with respect to the average frequency spectrum of the GPR profiles.

Regarding the measurements made with the impedance analyzer, it has been possible to quantify the influence of moisture and conductivity on the values of the dielectric permittivity of the medium as a determining parameter to calculate the propagation velocity of electromagnetic waves during the process of depth attribution in the GPR application context.

As a general conclusion, it can be stated that the quantitative interpretation of GPR data should replace the traditional visual interpretation of radargrams. Therefore, the different methodologies proposed in this thesis are of special interest for certain subsurface investigations, such as the characterization of contaminated areas or moisture content analysis.

In relation to the proposed methodology in the analysis of ground penetrating radar applications for the study of asphalt pavements, a tool has been developed that allows both the automatic delimitation of road surface layers and the quantification of the presence of moisture in the pavement due to its relation with the attenuation of GPR signals.

Regarding the joint analysis of bandwidth and dominant frequency, the proposed methodology has demonstrated its ability to obtain fast results related to the presence of certain contaminants in the subsurface, which depend directly on the conductivity and attenuation of the medium investigated with GPR.

Finally, regarding the determination of the dielectric permittivity through of the impedance analyzer, it can be highlighted that the experimental method developed offers a strong stability in the measurements performed for a wide frequency range.