Study of variable frequency GPR antenna pairing and Frequency band adjustment match filtering for shallow investigations

摘要

地质雷达(GPR)对于地下介质的地球物理勘查来说是一种行之有效的技术，特别是对于浅层地下来说。无损、高效和数据可靠是它作为浅地表地下调查一个理想工具的重要因素。根据地下目标的类型，应用中如何选择地质雷达天线的中心频率和带宽将是一件重要的事情。实际信号的频率同分辨率、最大探测深度、地下探测物体的大小以及土壤介质的性质直接相关。因此对于每一次的勘探来说，都需要研究其天线频率的局限性。当然，既要获得高分辨的地下图像（高频），也要有较大的探测深度（低频）一直是技术改进的目标。为了从一个新的角度研究这个问题，本论文提出了一种应用不同发射-接收频率的数据采集技术和利用频带宽度增强匹配滤波的数据处理技术。
　　常规的采集方法中，发射-接收天线的中心频率都是相同的，而在我们的试验研究中这种情况发生了改变。为了取代通常的3对相同频率天线对观测，我们研究了50MHz、100MHz和200MHz收-发天线不同组合的9种情况。试验场地位于中国浙江杭州良渚的莫角山。通过对其接收数据的脉冲响应的研究，我们观测到了频率互换的不同效应。实际的观测结果是:地质雷达信号的频带宽度和勘探深度主要受到发射天线频率的影响，而不是接收天线的频率;接收天线则主要影响分辨率;高频发射与低频接收通常容易带来较多的噪声。因此这项研究告诉我们，低频发射-高频接收的模式也许是一个好的选择。
　　在地球物理数据处理中，滤波器通常用来得到较好的地下可视化解释结果，而匹配滤波器则提供了某种特定情况下使得信息数据更加可靠的手段。在本文的研究中，我们提出并尝试了三种不同频率增强匹配滤波器的方法。这三种滤波器的原理基本相似，主要差别在于不同频率的运用。第一种是发射频率固定的频带增强匹配滤波器(CFT);第二种是相似发射接收频率滤波器(SFT);第三种则是可变发射频率频带增强匹配滤波器(VFT)。对于CFT来说，接收天线的频率是变化的;而对于VFT来说，接收天线的频率保持不变;而对于SFT来说，发射天线与接收天线的频率相同。GPR数据处理的试验在中国浙江杭州浙江大学的一个地球物理试验场进行。试验的主要目的是将不同频率天线地质雷达采集的高频和低频信息通过一个频带匹配滤波器融合到一个地质雷达记录之中。最后的结果证明通过采集和处理方法技术的合理运用，是有可能同时提高分辨率和勘探深度的。

目录

声明

Acknowledgement

Abstract

摘要

Contents

List of Tables

List of Figures

Chapter 1 Introduction Overview

1．1 Background

1．2 A Brief Historical Perspective of GPR Development

1．3 Problems associated with GPR Data

1．3．1 Variable frequency antenna pairing scheme

1．3．2 Frequency Band adj ustment match filtering

1．4 Objectives

1．5 Dissertation Structure

Chapter 2 Ground Penetrating Radar Overview

2．1 Introduction

2．2 Basic Ground Penetrating Radar System

2．3 The working performance of GPR

2．4 Data Acquisition modes

2．4．1 Antenna 0rientations

2．5 Advantages and Disadvantages of GPR

2．6 Basic GPR related Principles

2．6．1 Electromagnetic Properties of Material

2．6．2 Data Acquisition Parameters

2．6．3 Relationship to Seismic Wave propagation

2．6．4 Estimation of Depth and Layer Thickness

2．6．5 Target Oriented Reflections and Identification

2．6．6 Noise and Clutter

2．7 Display of GPR Data

Chapter 3 Combinations of Variable frequency antennas andtheir response Overview

3．1 Introduction

3．2 Description of Study Area

3．3 Methodology／Survey Procedure

3．4 Analysis

3．5 Comparison of interchangeable Tx-Rx frequenciesantenna pairs

3．5．1 Pair-1 50MHz-100MHz and 100MHz-50MHz

3．5．2 Pair-2 50MHz-200MHz and 200MHz-50MHz

3．5．3 Pair-3 100MHz-200MHz and 200MHz-100MHz

3．6 Case Studies

3．6 Summary

Chapter 4 Frequency Band Adjustment based MatchingFilters for GPR Data Overview

4．1 Introduction

4．2 Data Acquisition Procedure

4．3 Theoretical Perspective

4．4 Filter fabrication Procedure

4．4．1 Constant Transmitting Frequency(CFT)FBA Match Filter

4．4．2 Similar Transmitting-Receiving Frequency(SFT)FBA MatchFilter

4．4．3 Variable Transmitting Frequency(VFT)FBA Match Filter

4．5 Application results of the filters

4．5．1 CFT FBA Match Filter

4．5．2 SFT FBA Match Filter

4．5．3 VFT FBA Match Filter

Chapter 5 Conclusions and suggestions Overview

References

Dissemination

Project Funding

Glossary