بررسي تأثير پارامترهاي برداشت بر نتايج روش GPR با استفاده از مدل‌سازي پيش‌رو و پژوهش‌هاي ميداني

Investigating the Effect of Survey Parameters on the Results of GPR Method Through forward Modeling and Field Studies

رادار نفوذي به زمين(GPR) يك روش ژئوفيزيكي با قدرت تفكيك بالاست كه از امواج الكترومغناطيسي با فركانس زياد براي تصوير كردن ساختارها و اشياء مدفون در زير زمين بدون تخريب محيط، استفاده مي ­كند. در پژوهش حاضر انتخاب پارامترهاي بهينه برداشت داده هاي واقعي اين روش مورد بررسي قرار گرفته است. براي اين منظور ابتدا مدلسازي پيشرو داده­ هاي GPR با استفاده از روش تفاضل محدود دوبعدي حوزه زمان (FDTD) به كمك نرم­ افزارهاي GPRMAX، ReflexW و Radexplorer براي تعداد زيادي از مدل­هاي مصنوعي متناظر با اهداف متداول در تاسيسات زيرسطحي انجام شد. هدف از اين شبيه­ سازي­ ها بررسي تاثير پارامترهاي برداشت همانند فاصله نمونه­ برداري مكاني (فواصل بين تريسي) و زماني بر روي پاسخ GPR اهداف با پارامترهاي هندسي و فيزيكي مختلف مي­ باشد. در راستاي انتخاب و طراحي مناسب ­ترين شرايط و پارامترهاي برداشت داده ­هاي واقعي GPRنيز برداشت­هاي ميداني متعدد در محوطه دانشگاه صنعتي اصفهان، بر روي اهداف استوانه­اي شكل مدفون از پيش شناخته شده با محيط­هاي ميزبان گوناگون، انجام شد. در اين عمليات برخي از پارامترهاي برداشت همانند ميزان فركانس مركزي، بازه آنتني و وضعيت آنتن به دليل در اختيار داشتن يك نوع دستگاه GPR تك ثابت با آنتن هاي پوشش دار با فركانس مركزي 250 مگاهرتز، ثابت (غيرقابل تغيير) باقي ماندند. مهم ترين پارامترهاي برداشت مورد بررسي نيز شامل فركانس نمونه­ برداري زماني، فاصله نمونه برداري مكاني، پنجره زماني و تعداد تريس­هاي برانبارش شده مي­ باشد. درنهايت موفقيت يا عدم موفقيت آشكارسازي اهداف براساس پارامترهاي برداشت انتخابي، مورد بررسي قرار گرفت و مقدار كمّي احتمال موفقيت آشكارسازي اهداف زيرسطحي براساس مقادير فركانس نمونه­ برداري زماني و مكاني تعيين گرديد كه بيشترين احتمال آشكارسازي اهداف، مربوط به فركانس نمونه­ برداري زماني 1954 مگاهرتز و فاصله نمونه­ برداري مكاني 1 سانتي ­متر مي ­باشد.

Ground-penetrating radar (GPR) is a high-resolution geophysical method which uses electromagnetic waves with high-frequency in order to map structures and objects buried in subsurface without any destruction of the medium. In present research, choice of optimum parameters of real data acquisition for this method has been studied. The governed behavior on the GPR fields can be simulated by solving the Maxwell’s equations and the appropriate boundary conditions that form the basis of electromagnetic theory. Among the variety of available numerical methods, the finite-difference time-domain (FDTD) method has paid more attention due to having the simple understanding of the concepts, flexibility, simulation and modeling of complex environments and the acceptability of its responses in the applied cases. The purpose of this study is to identify what reasonable information can be obtained from field data under different environmental conditions and different survey parameters. Materials and methods To achieve the goal, first forward modeling of GPR data has been carried out for several synthetic models corresponding to common targets in subsurface installations, using 2-D finite-difference time-domain method by means of GPRMAX, ReflexW and Radexplorer softwares. The main purpose of the simulations is investigation of the effect of survey parameters such as spatial sampling intervals (trace interspacing) and temporal sampling frequency on the GPR response of targets with various physical and geometrical parameters. Also to select and design the most appropriate conditions and survey parameters for real GPR data, numerous field traverses were performed in Isfahan University of Technology campus over the pre-known buried cylindrical targets containing power cable, petro-gas pipe, water pipeline and waste water pipeline with diverse host media. In this operation due to having one monostatic GPR system equipped by shielded antenna with central frequency of 250 MHz, some of the survey parameters containing central frequency, antenna separation and antenna directivity are invariant. The most important investigated survey parameters are temporal sampling frequency, spatial sampling distance (trace intervals), time window and number of stacked traces.