Метод міграції Кірхгофа в задачі виявлення прихованих металевих об’єктів за допомогою надширокосмугового георадару
Анотація
Актуальність: Надширокосмугові (НШС) георадарні системи широко використовуються для виявлення прихованих об'єктів. Проте ефективна обробка даних, особливо у складних середовищах із неоднорідностями, залишається актуальною проблемою. Точність визначення глибини таких об'єктів значною мірою залежить від коректного застосування методів міграції та попередньої обробки сигналів.
Мета роботи: Розв’язання модельної задачі визначення глибини металевої труби в однорідному та неоднорідному середовищі з використанням методу міграції Кірхгофа для подальшого застосування підходу до реальних георадарних даних.
Матеріали та методи: Модель середовища включала однорідну область та область із траншеєю, що містить металеву трубу. Для моделювання поширення сигналу використовувався метод FDTD з гаусовим імпульсом тривалістю 0,6 нс. Було сформовано B-скани з 15 положень антени, а отримані дані піддавалися попередній обробці та міграції Кірхгофа. У випадку неоднорідного середовища враховувалась зміна діелектричної проникності.
Результати: Отримано чітке зображення труби після застосування методу міграції, яке співпадає з фактичною глибиною об’єкта як в однорідному, так і в неоднорідному середовищі. У разі ігнорування локальних змін діелектричної проникності спостерігається похибка, яка може досягати величини, близької до діаметра труби.
Висновки: Метод міграції Кірхгофа є ефективним для визначення глибини металевих об’єктів у модельному середовищі за умови правильної оцінки параметрів середовища. Необхідно враховувати неоднорідності, такі як траншеї, для зменшення похибок у розрахунках, що є критично важливим для практичних застосувань НШС георадарів.
Завантаження
Посилання
Youn NH, Chen NC, Peter NL, Jr N. Automatic Pipe Detection Using Fully Polarimetric GPR. 2003, Las Vegas, NV July 27-30, 2003. 2003 Jan 1; http://dx.doi.org/10.13031/2013.14036
Li Y, Xu Y, Xiao X, Guan B, Ge L. Distorted Hyperbola Extraction of GPR Data using Edge Detection for Buried Non-Metallic Pipes. 2023 Jul 5;209:1–4. https://doi.org/10.1109/IWAGPR57138.2023.10329239
Utsi V. Detection of Fibre Optic cables using GPR. Proceedings of the 15th International Conference on Ground Penetrating Radar. 2014 Jun 1;465–8. https://doi.org/10.1109/ICGPR.2014.6970467
Liu S, Weng C, Jiao P, Wang F, Fu L, Meng X, et al. GPR signal analysis of post-tensioned prestressed concrete girder defects. Journal of Geophysics and Engineering. 2013 Jun 1;10(3):034005–5. http://dx.doi.org/10.1088/1742-2132/10/3/034005
Batrakov DO, Antyufeyeva MS, Batrakova AG, Ruban VP. Ground Penetrating Radar Application for Positioning Cracks in Non-rigid Road Pavements. Lecture notes in networks and systems. 2024 Jan 1;453–64. https://www.doi.org/10.1007/978-981-99-7569-3_37
Batrakov DO, Mykola Kovalov, Batrakova AG. GPR Technologies for Finding and Positioning Subsurface Cracks in Road Surfaces. 2022 Nov 14;2:686–90 https://www.doi.org/10.1109/UkrMW58013.2022.10037078
Eyoab Zegeye Teshale, Holzbauer M, Dai S. Using Ground Penetrating Radar to Monitor Seasonal Moisture Fluctuations in Base Layers of Existing Roads. Transportation Research Record. 2022 Feb 10;2676(6):371–86. http://dx.doi.org/10.1177/03611981221074360
Bechtel T, Capineri L, Pochanin G, Crawford F, Falorni P, Ruban V. Demining 4.0: Principles of the latest industrial revolution applied to humanitarian demining. Symposium on the Application of Geophysics to Engineering and Environmental Problems 2021. 2021 Jun 11; http://dx.doi.org/10.4133/sageep.33-159
C. G. Windsor, L. Capineri, P. Falorni, "A Data Pair-Labeled Generalized Hough Transform for Radar Location of Buried Objects," in IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, vol. 11, no. 1, pp. 124-127, Jan. 2014, doi: 10.1109/LGRS.2013.2248119
G. Borgioli, L. Capineri, P. Falorni, S. Matucci, C. G. Windsor, "The Detection of Buried Pipes From Time-of-Flight Radar Data," in IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 46, no. 8, pp. 2254-2266, Aug. 2008, doi: 10.1109/TGRS.2008.917211.
G. P. Pochanin et al., "Measurement of Coordinates for a Cylindrical Target Using Times of Flight from a 1-Transmitter and 4-Receiver UWB Antenna System," in IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 58, no. 2, pp. 1363-1372, Feb. 2020, doi: 10.1109/TGRS.2019.2946064.
J. Gazdag and P. Sguazzero, "Migration of seismic data," in Proceedings of the IEEE, vol. 72, no. 10, pp. 1302-1315, Oct. 1984.
Caner Özdemir, Şevket Demirci, Enes Yiğit, and Betül Yilmaz, “A Review on Migration Methods in B-Scan Ground Penetrating Radar Imaging,” Mathematical Problems in Engineering, vol. 2014, Article ID 280738, 16 pages, 2014.
N. Smitha, D. R. Ullas Bharadwaj, S. Abilash, S. N. Sridhara and Vipula Singh, “Kirchhoff and F-K migration to focus ground penetrating radar images”, Smitha et al. Geo-Engineering (2016) 7:4. DOI 10.1186/s40703-016-0019-6
O. Dumin, V. Plakhtii, O. Pryshchenko and G. Pochanin, "Comparison of ANN and Cross-Correlation Approaches for Ultra Short Pulse Subsurface Survey," 2020 IEEE 15th International Conference on Advanced Trends in Radioelectronics, Telecommunications and Computer Engineering (TCSET), 2020, pp. 1-6, doi: 10.1109/TCSET49122.2020.235459.
I. Persanov, O. Dumin, V. Plakhtii and D. Shyrokorad, "Subsurface Object Recognition in a Soil Using UWB Irradiation by Butterfly Antenna," 2019 XXIVth International Seminar/Workshop on Direct and Inverse Problems of Electromagnetic and Acoustic Wave Theory (DIPED), 2019, pp. 160-163, doi: 10.1109/DIPED.2019.8882577.
O. Dumin, V. Plakhtii, D. Shyrokorad, O. Prishchenko and G. Pochanin, "UWB Subsurface Radiolocation for Object Location Classification by Artificial Neural Networks Based on Discrete Tomography Approach," 2019 IEEE 2nd Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering (UKRCON), 2019, pp. 182-187, doi: 10.1109/UKRCON.2019.8879827.
C. Özdemir, F. Demirci, E. YiLit, B. Yilmaz, “A Review on Migration Methods in B-Scan Ground Penetrating Radar Imaging”, Mathematical Problems in Engineering Volume 2014, Article ID 280738, p. 16 http://dx.doi.org/10.1155/2014/280738
Vadym Plakhtii, Oleksandr Dumin, Oleksandr Pryshchenko. Kirchhoff Migration Method for Tube Detection with UWB GPR. 2021 Sep 8;181–4. Proceedings of International Seminar/Workshop on Direct and Inverse Problems of Electromagnetic and Acoustic Wave Theory, DIPEDVolume 2021-September, Pages 181 - 1848 September 2021 26th IEEE International Seminar/Workshop on Direct and Inverse Problems of Electromagnetic and Acoustic Wave Theory, DIPED 2021Tbilisi8 September 2021through 10 September 2021Code 172372 https://doi.org/10.1109/DIPED53165.2021.9552330
T. Bechtel, S. Truskavetsky, G. Pochanin, L. Capineri, A. Sherstyuk, K. Viatkin, T. Byndych, V. Ruban, L. Varyanitza-Roschupkina, O. Orlenko, P. Kholod, P. Falorni, A. Bulletti, L. Bossi, and F. Crawford, “Characterization of Electromagnetic Properties of In Situ Soils for the Design of Landmine Detection Sensors: Application in Donbass, Ukraine,” Remote Sensing, vol. 11, no. 10, p. 1232, May 2019.
S. Wagner, B. M. Worthmann and A. -V. Pham, "Minimizing Timing Jitter’s Impact on Ground-Penetrating Radar Array Coupling Signals," in IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 59, no. 6, pp. 4717-4724, June 2021, doi: 10.1109/TGRS.2020.3019976.
S. Wagner and A. Pham, "Structural Effect on Image Quality Degradation in Ground-Penetrating Radar Array," 2019 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting, 2019, pp. 1631-1632, doi: 10.1109/APUSNCURSINRSM.2019.8889120.
G. P. Pochanin, A. A. Orlenko, P. V. Kholod, S. A. Masalov and I. Y. Pochanina, "UWB antenna with high isolation between transmitting and receiving modules," 2013 IX Internatioal Conference on Antenna Theory and Techniques, 2013, pp. 341-343, doi: 10.1109/ICATT.2013.6650771.
Sam Wagner, “2D Kirchhoff Migration for Ground Penetrating Radar Tutorial”, YouTube, 3 July, 2020. [Video file]. Available: https://www.youtube.com/watch?v=-Af9bwKNPfk&t=4347s&ab_channel=SamWagner
