Accurate Tree Roots Positioning and Sizing over Undulated Ground Surfaces by Common Offset GPR Measurements

Tree roots detection is a popular application of the Ground-penetrating radar (GPR). Normally, the ground surface above the tree roots is assumed to be flat, and standard processing methods based on hyperbolic fitting are applied to the hyperbolae reflection patterns of tree roots for detection purposes. When the surface of the land is undulating (not flat), these typical hyperbolic fitting methods becomes inaccurate. This is because, the reflection patterns change with the uneven ground surfaces. When the soil surface is not flat, it is inaccurate to use the peak point of an asymmetric reflection pattern to identify the depth and horizontal position of the underground target. The reflection patterns of the complex shapes due to extreme surface variations results in analysis difficulties. Furthermore, when multiple objects are buried under an undulating ground, it is hard to judge their relative positions based on a B-scan that assumes a flat ground. In this paper, a roots fitting method based on electromagnetic waves (EM) travel time analysis is proposed to take into consideration the realistic undulating ground surface. A wheel-based (WB) GPR and an antenna-height-fixed (AHF) GPR System are presented, and their corresponding fitting models are proposed. The effectiveness of the proposed method is demonstrated and validated through numerical examples and field experiments.Comment: 11 pages, 6 figures, accepted by IEEE TI

Apports de l'ultra large bande et de la diversité de polarisation du radar de sol pour l'auscultation des ouvrages du génie civil

The Ground Penetrating Radar technique (GPR) is now widely used as a non destructive probing and imaging tool in several civil engineering applications mainly concerning inspection of construction materials and structures, mapping of underground utilities and voids, characterization of sub-structures, foundations and soil and estimation of sub-surface volumetric moisture content. GPR belongs to a continuously evolving field due to electronic integration, high-performance computing, and advanced signal processing. The promotion of this technology relies on the development of new system configurations and data processing tools for the interpretation of sub-surface images. In this context, the work presents first the dual polarization UWB ground coupled GPR system which has been developed recently. Then, the data processing has focalized on the development of analysis tools to transform the raw images in a more user-readable image in order to improve the GPR data interpretation especially within the scope of detection of urban pipes and soil characterization. The processing means used concern clutter removal in the pre-processing step using adaptations and extensions of the PCA and ICA algorithms. Moreover, a template matching image processing technique is presented to help the detection of hyperbola within GPR raw B-scan images. The dual polarization is finally shown to bring additional information and to improve the detection of buried dielectric objects or medium discontinuities. The performances of our analysis approaches are illustrated using synthetic data (3D FDTD simulations) and field-measurement data in controlled environments. Different polarization configurations and dielectric characteristics of objects have been considered. The potential for target discrimination has been quantified using statistical criteria such as ROCLa technique de Georadar (GPR) est actuellement largement utilisée comme une technique non-destructive de sondage et d'imagerie dans plusieurs applications du génie civil qui concernent principalement: l'inspection des structures et des matériaux de construction, la cartographie des réseaux enterrés et des cavités, la caractérisation des fondations souterraines et du sol ainsi que l'estimation de la teneur en eau volumique du sous-sol. Le radar GPR est une technique en continuelle évolution en raison de l'intégration toujours plus poussée des équipements électroniques, des performances des calculateurs numériques, et des traitements du signal avancés. La promotion de cette technologie repose sur le développement de nouvelles configurations de systèmes et d'outils de traitement des données en vue de l'interprétation des images du sous-sol. Dans ce contexte, les travaux de cette thèse présentent tout d'abord le système GPR ULB (Ultra large bande) à double polarisation couplé au sol, lequel a été développé récemment au laboratoire. Par la suite, les traitement des données ont été focalisés sur le développement d'outils d'analyse en vue d'obtenir à partir des images brutes des images plus facilement lisibles par l'utilisateur afin d'améliorer l'interprétation des données GPR, en particulier dans le cadre de la détection de canalisations urbaines et la caractérisation des sols. Les moyens de traitement utilisés concernent l'élimination du clutter au cours d'une étape de prétraitement en utilisant des adaptations et des extensions des algorithmes fondés sur les techniques PCA et ICA. De plus, une technique de traitement d'image ‘'template matching” a été proposée pour faciliter la détection d'hyperbole dans une image Bscan de GPR. La diversité de polarisation est enfin abordée, dans le but de fournir des informations supplémentaires pour la détection d'objets diélectriques et des discontinuités du sous-sol. Les performances de nos outils d'analyse sont évaluées sur de données synthétiques (simulations 3D FDTD) et des données de mesures obtenues dans des environnements contrôlés. Pour cela, nous avons considéré différentes configurations de polarisation et des objets à caractéristiques diélectriques variées. Le potentiel de discrimination des cibles a été quantifié en utilisant le critère statistique fondé sur les courbes RO

Automated extraction of hyperbolic reflections and data processing from radargrams acquired by GPR scanning technology

Докторска дисертација посвећена је области аутоматизоване обраде радарграма формираних применом георадара. Развијени су и имплементирани нови алгоритми за аутоматизовану детекцију и одређивање координата темена хиперболичних рефлексија као и издвајање координата тачака на њиховим крацима. Све анализе и верификацијe су извршене над реалним и синтетичким подацима.Doktorska disertacija posvećena je oblasti automatizovane obrade radargrama formiranih primenom georadara. Razvijeni su i implementirani novi algoritmi za automatizovanu detekciju i određivanje koordinata temena hiperboličnih refleksija kao i izdvajanje koordinata tačaka na njihovim kracima. Sve analize i verifikacije su izvršene nad realnim i sintetičkim podacima.PhD thesis is dedicated to the field of automated processing of radargrams formed by the application of GPR. New algorithms for automated detection and determination of the coordinates of the apexes of hyperbolic reflections as well as the extraction of the coordinates of points on their prongs have been developed and implemented. All analyzes and verifications were performed on real and synthetic data