Ground Penetrating Radar (GPR) direct wave study
Creators: name: Τοκμακτσή, Ελένη Αγγελου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2021
Subjects: Γεωραντάρ (GPR)
Απευθείας κύμα
Κεραίες γεωραντάρ
Πόλωση
3D μοντελοποίηση
ground penetrating radar (GPR)
Direct wave
GPR Antennas
Polarization
3D numerical modelling

description: Σε αυτή τη μελέτη, ο κύριος σκοπός είναι η διερεύνηση του τρόπου της χωρικής διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών (Η/Μ) σημάτων γύρω από τη κεραία του πομπού (Tx) του γεωραντάρ (GPR). Εφόσον οι καταγεγγραμένες αφίξεις στην κεραία του δέκτη (Rx) του GPR χαρακτηρίζονται κυρίως από την ισχυρή άφιξη του απευθείας κύματος, η μελέτη αυτή επικεντρώνεται στο προαναφερόμενο κύμα με σκοπό την εύρεση χωρικών συντεταγμένων γύρω από τον πομπό του GPR όπου το απευθείας κύμα ελαχιστοποιείται σε πλάτος ενώ παράλληλα το ανακλώμενο κύμα παραμένει -ιδανικά- ισχυρό. Η εύρεση αυτών των περιοχών, μπορεί να οδηγήσει σε κατάλληλες διατάξεις μεταξύ πομπού και δέκτη (Tx-Rx) κατά τις οποίες, η καταγραφή του ανακλώμενου κύματος δεν θα επηρεάζεται/μολύνεται από το απευθείας κύμα με αποτέλεσμα να αναδεικνύονται οι ανακλάσεις που προέρχονται από ρηχούς στόχους. Για την εκτέλεση της παραπάνω μελέτης, πάρθηκαν πραγματικά δεδομένα σε μία περιοχή όπου εντοπίστηκε ένας οριζόντιος (στο μεγαλύτερο κομμάτι του) ανακλαστήρας. Η οριζοντιότητα του ανακλαστήρα επιβεβαιώθηκε στο ύπαιθρο από μετρήσεις καννάβου με το γεωραντάρ καθώς και με τη χρήση γεωηλεκτρικών τομογραφιών (ERT). Η μέθοδος της ευρυγωνίας ανάκλασης και διάθλασης (WARR) χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό της μέσης ταχύτητας του Η/Μ παλμού στο πρώτο (ανώτερο) στρώμα αλλά και για να υπολογιστεί με μεγαλύτερη ακρίβεια το βάθος των υπεδάφειων στόχων στην περιοχή μελέτης. Το απευθείας και το ανακλώμενο κύμα, μελετήθηκαν στην παραπάνω περιοχή από τη συλλογή στατικών δεδομένων GPR σε κυκλική διάταξη. Έτσι, απευθείας και ανακλώμενο κύμα μελετήθηκαν α) αλλάζοντας τη διάταξη Tx-Rx (broadside και endfire), β) αλλάζοντας την απόσταση Tx-Rx (αλλάζοντας δηλαδή την ακτίνα του κύκλου) και γ) αλλάζοντας την γωνία των κεραιών (η μία κεραία παραμένει σταθερή στο κέντρο του κύκλου ενώ η άλλη κινείται κυκλικά σε προκαθορισμένα βήματα γωνίας δειγματοληψίας γύρω από την άλλη). Επιπλέον, συνθετικά δεδομένα παρήχθησαν για να μελετηθούν οι προαναφερθέντες τρείς (3) παράγοντες οι οποίοι είναι γνωστό ότι επηρεάζουν τη χωρική κατανομή του Η/Μ σήματος γύρω από μία κεραία GPR. Για τα συνθετικά δεδομένα, οι κεραίες γεωραντάρ (Tx και Rx) μοντελοποιήθηκαν είτε ως ιδανικά δίπολα (σημειακά δίπολα) είτε ως γυμνά δίπολα
description: In this study, the major aim is to examine the spatial distribution of the electromagnetic (EM) signals around the ground penetrating radar (GPR) transmitting antenna (Tx). Since the recorded signals are mostly dictated by the strong direct wave signal, we have focused on the study of this response, attempting to locate areas around the Tx where the direct wave becomes minimum, while the signal strength of the reflected wave remains ideally unchanged. The location of those local minima in the direct signal may give rise to advantageous Tx-Rx configurations, where a clear reflection can be obtained with the least possible involvement of the direct wave, showcasing the reflections of targets lying at shallow depths. To perform such a study, field testing was performed at a site where a mostly horizontal subsurface reflector was located. This was confirmed by carrying out GPR grid measurements and validated using the electrical resistivity tomography (ERT) method. Wide Angle Reflection and Refraction (WARR) measurements were also performed to estimate the average EM wave velocity in the uppermost layer and define more precisely the depth of the subsurface features in the survey area. Having found an almost horizontal layer in the field, both the direct and reflected waves were studied by collecting static GPR data around a circle. This way both the direct and reflected waves were studied in terms of (a) changing the Tx-to-Rx antenna orientation (i.e., broadside and endfire), (b) changing the Tx-to-Rx antenna separation (with varying the circle’s radius) and (c) changing the Tx-to-Rx antenna angular position (one antenna was placed at a fixed location in the circle’s center while the other was moved radially in fixed angle steps around the first one). In addition to field testing, numerical modelling was performed to study these three (3) aforementioned factors that are known to impact the EM signal distribution around the GPR transducers. For the numerical modelling work, the GPR antennas were represented either by ideal Hertzian dipoles (point dipoles) or by resistively loaded bare dipoles