Ground penetrating radar as a quantitative tool with applications in soil hydrology [Elektronische Ressource] / put forward by Holger Gerhards

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• Publié par: ruprecht-karls-universitat_heidelberg
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 52
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

Dissertation
submitted to the
Combined Faculties of the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
Put forward by
Dipl.-Phys. Holger Gerhards
Born in K¨othen, Germany
Oral examination: 30.10.2008Ground Penetrating Radar
as a Quantitative Tool
with Applications in Soil Hydrology
Referees: Prof. Dr. Kurt Roth
Prof. Dr. Bernd J¨ahneKurzfassung
Diese Arbeit besch¨aftigt sich mit der Erkundung der Georadar-Methode im Hinblick
auf die Anwendbarkeit in der Hydrologie ober߬achennaher Bodenschichten. Die Mo-
tivation besteht darin, die Grenzen der Auswertbarkeit von Georadarmessungen zu er-
¨weitern, weswegen ein detaillierter Uberblick der Ausbreitungelektromagnetischer Wellen
gegeben wird. Begonnen wird hierbei mit einer Einfu¨hrung in die theoretischen und
experimentellen Beschreibungsm¨oglichkeiten der relevanten dielektrischen Materialeigen-
¨schaften. Fortgesetzt wird dies mit einer Ubersicht verschiedener Simulationsansa¨tze in
der Elektrodynamik, welche sich in ihrer physikalischen Komplexit¨at unterscheiden. So
wird der Strahlenansatz, die Beschreibung durch ebene Wellen sowie die Anwendung von
Greenschen Funktionen vorgestellt, wobei letzteres an einen vertikalen Dipol in einem
horizontal geschichteten Medium angepaßt ist. Mit diesen Modellans¨atzen werden einige
spezielle Sachverhalte der Wellenausbreitung in der Elektrodynamik beleuchtet. So zum
Beispiel, wird die Reflektion von und die Brechung an kontinuierlichen dielektrischen
¨Uberg¨angen analysiert, die zum Beispiel durch die Wasserverteilung im Boden herru¨hren
k¨onnen. Weiterhin wird die Bodenwelle hinsichtlich ihrer evaneszenten Eigenschaften un-
tersucht. Diese treten auf, wenndie Bodenwelle in denLuftraumeinkoppelt. Als Resultat
der theoretischen Betrachtungen werden zwei neue Messmethoden und deren Auswert-
barkeit vorgestellt. Eine Messmethode stellt die Anhebemessung dar, welche die Detek-
tion von evaneszenten Wellen erlaubt. Die zweite Messtechnik ist die Mehrkanalmethode,
welche einen gleichzeitigen Zugriff auf die Reflektortiefe und den mittleren Wassergehalt
auf Messstrecken u¨ber mehrer hundert Meter bietet.
Abstract
This work concentrates on the investigation of ground penetrating radar (GPR) with re-
spect to applications in soil hydrology. The motivation is to expand the boundaries of
processability and evaluability of GPR measurements. Therefore, a detailed review of the
fundamentals for electromagnetic wave propagation is given. First, theoretical and ex-
perimental descriptions of the dielectric material models are introduced. This is followed
by an overview of different modeling approaches in electrodynamics which differ in their
physical complexity. The ray approach, a plane wave description and a Green’s function
approach are presented, where the last simulates a vertical dipole in a horizontally layered
medium. With the help of these modelingapproaches, some specific electromagnetic wave
phenomena are studied. For instance the reflection and the refraction at continuously
varying dielectric properties are analyzed, which can stem for example from the water
distribution in soils. Furthermore, the ground wave is studied regarding its evanescent
wave behavior. This can be observed, when the wave couples into the air. As an outcome
of the theoretical considerations, two novel measurement techniques and their evaluation
approachesarepresented. Onetechniqueistheliftmeasurement, whichenablesthedetec-
tion of evanescent waves. The other technique is the multi-channel method, which allows
a simultaneous access to reflector depth and average water content up to several hundred
meters.
iiiContents
1 Introduction 1
1.1 Introduction to Soil Hydrology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Introduction to Ground Penetrating Radar . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Outline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 Advises for the Reader . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Material Models 7
2.1 Dielectric Properties - A General Description . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.1 Dielectric Permittivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.2 Electric Conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 Dielectric Properties of Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.1 Dielectric Mixing Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.2 Dielectric Permittivity Functions for Specific Media . . . . . . . . . 16
2.3 Water Content Distribution in Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.1 Short Introduction to Soil Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.3.2 Description of the Capillary Fringe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3 Electromagnetic Theory - Modeling Approaches 23
3.1 Introduction / Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 Travel Path Analysis using the Ray Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.1 Analytical Solutions for Few Layer Setups . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.2.2 Multi-Layer Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3 Plane Wave Descriptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.1 Propagation in Homogeneous Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.2 Reflection and Transmission at a Sharp Dielectric Transition . . . . 33
3.3.3 Multi-Layer Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4 Near Field Analysis / Greens Function Approach . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.5 Multi-Layer Model Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.5.1 Plane Wave Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.5.2 Green’s Approach Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4 Ground Penetrating Radar - Basics 47
4.1 Measurement Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.2 Standard Measurement Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2.1 Surface Ground Penetrating Radar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.3 Origination of Ground Penetrating Radar Signals . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.3.1 Travel Paths in Ground Penetrating Radar Applications . . . . . . . 52
4.3.2 Attenuation and Absorption of Electromagnetic Waves . . . . . . . . 55
4.3.3 Propagation in Dispersive Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
4.3.4 Refraction at Sharp and Smooth Permittivity Changes . . . . . . . . 59
4.3.5 Reflection from Sharp and Smooth Permittivity Changes . . . . . . 63
4.3.6 Evanescent Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
iii4.4 Pre-Processing and Filtering Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4.4.1 Amplification / Gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.4.2 Runmean-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.4.3 Dewow-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4.4.4 Gauss-Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.4.5 Ringing Removal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.5 Processing Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.5.1 Time Zero Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.5.2 Normal Moveout Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
4.5.3 Windowed Fourier Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
4.5.4 Evanescent Wave Evaluation / Ground Wave Evaluation . . . . . . . 99
5 Multi-Channel Ground Penetrating Radar 107
5.1 Overview / Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.2 Multi-Channel Technique and Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.2.1 Measurement Technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
5.2.2 Two-Point Evaluation of the Multi-Channel Measurement . . . . . . 108
5.2.3 Multi-Point Evaluation of the Multi-Channel Measurement . . . . . 109
5.2.4 Multi-Layer Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.2.5 Inverse estimation of reflector depth: Synthetic Example . . . . . . . 111
5.2.6 Air Wave Adaption Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.2.7 Application of the Air Wave Adaption Method . . . . . . . . . . . . 115
5.2.8 Synthetic Example for the Multi-Layer Evaluation . . . . . . . . . . 116
5.3 Multi-Channel Surveys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.3.1 Single-Layer Example from the Tibetan Plateau . . . . . . . . . . . 118
5.3.2 Two-Layer Example from the Tibetan Plateau . . . . . . . . . . . . 121
5.3.3 Multi-Layer Evaluation from the Hirschacker Testsite . . . . . . . . 124
6 Summary 129
A Calculations and Derivations I
A.1 Small Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I
A.1.1 Travel Time from a Dipping Reflector . . . . . . . . . . . . . . . . . I
A.1.2 Attenuation of Plane Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III
A.2 Hertzian Potential and Hertzian Dipole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . III
Bibliography IX
iv1 Introduction