Investigating Key Techniques to Leverage the Functionality of Ground/Wall Penetrating Radar

Ground penetrating radar (GPR) has been extensively utilized as a highly efficient and non-destructive testing method for infrastructure evaluation, such as highway rebar detection, bridge decks inspection, asphalt pavement monitoring, underground pipe leakage detection, railroad ballast assessment, etc. The focus of this dissertation is to investigate the key techniques to tackle with GPR signal processing from three perspectives: (1) Removing or suppressing the radar clutter signal; (2) Detecting the underground target or the region of interest (RoI) in the GPR image; (3) Imaging the underground target to eliminate or alleviate the feature distortion and reconstructing the shape of the target with good fidelity. In the first part of this dissertation, a low-rank and sparse representation based approach is designed to remove the clutter produced by rough ground surface reflection for impulse radar. In the second part, Hilbert Transform and 2-D Renyi entropy based statistical analysis is explored to improve RoI detection efficiency and to reduce the computational cost for more sophisticated data post-processing. In the third part, a back-projection imaging algorithm is designed for both ground-coupled and air-coupled multistatic GPR configurations. Since the refraction phenomenon at the air-ground interface is considered and the spatial offsets between the transceiver antennas are compensated in this algorithm, the data points collected by receiver antennas in time domain can be accurately mapped back to the spatial domain and the targets can be imaged in the scene space under testing. Experimental results validate that the proposed three-stage cascade signal processing methodologies can improve the performance of GPR system

Critical Analysis of Background Subtraction Techniques on Real GPR Data

Ground penetrating radar (GPR) is used to detect the underground buried objects for civil as well as defence applications under varying conditions of soil moisture content. The capability of detection depends upon soil moisture, target characteristics and subsurface characteristics, which are mainly responsible for contaminating the GPR images with clutter. Researchers earlier have used averaging, mean, median, Eigen values, etc. for subtracting the background from GPR images. To analyse the background subtraction or clutter reduction problems, in this paper, we have experimentally reviewed background subtraction techniques with or without target conditions to enhance the target detection under variable soil moisture content. Indigenously developed GPR has been used to collect the data for different soil conditions and several background subtraction signal processing techniques were critically reviewed like, mean, median, singular value decomposition (SVD), principal component analysis (PCA), independent component analysis (ICA) and training methods. The signal to clutter ratio (SCR) measurement has been used for performance evaluation of each technique. The relative merits and demerits of each technique has also been analysed. The background subtraction techniques have been appliedto experimental GPR data and it is observed that in comparison of mean, SVD, median, ICA, PCA, the training method shows the highest SCR with buried target. Finally, this review helps to select the comparatively better background subtraction technique to enhance the detection capability in GPR

Coupled hydraulic-mechanical-chemical processes in porous and fractured rocks

Gekoppelte hydraulische, mechanische und chemische Prozesse sind bei zahlreichen Anwendungen im Untergrund zu berücksichtigen und entscheidend für die Analyse des Potenzials, der Sicherheit und Risiken sowie der zukünftigen Entwicklung eines Geosystems. Einige solcher Untergrundnutzungen wie die Endlagerung radioaktiver Abfälle, die Speicherung von Energieträgern oder die Geothermie haben darüber hinaus einen hohen Stellenwert bei der Energiewende im Rahmen der weltweiten Klimaschutzaktivitäten. Diese Arbeit fokussiert sich auf die Entwicklung von methodisch-analytischen Ansätzen und Werkzeugen, welche zur Charakterisierung von gekoppelten Prozessen in porösen und geklüfteten Gesteinen herangezogen werden können. Durch Betrachtung zweier unterschiedlicher Lithologien sowie Beobachtungsmaßstäben vom µm- bis in den m-Bereich trägt diese Arbeit zu einem besseren Verständnis gekoppelter Prozesse in Reservoir- und Wirtsgesteinen bei. Der erste Teil der Arbeit befasst sich mit hydraulisch-mechanischen (HM) Prozessen und Eigenschaften in geklüfteten Gesteinen. Klüfte stellen wichtige Fließpfade im Gestein dar, sind jedoch auch hochsensibel gegenüber mechanischen Einflüssen. In der ersten Studie wird ein systematischer Methodenvergleich für eine nicht-invasive Quantifizierung von hydraulischen Öffnungsweiten präsentiert. Drei verschiedene Messinstrumente, ein tragbarer Luftpermeameter, eine Mikroskopkamera und ein 3D-Laserscanner, werden an einer natürlichen Einzelkluft in einem bekannten deutschen Reservoiranalogon (Flechtinger Sandstein) angewandt und bewertet. Dieses Fallbeispiel zeigt, dass der Luftpermeameter die robustesten Ergebnisse liefert, die größte Eindringtiefe besitzt und erhebliche Vorteile in Bezug auf Mobilität, Zeitaufwand und Datenauswertung bietet. Bei den Ansätzen zur optischen Kluftcharakterisierung erfolgt die Bestimmung der hydraulischen Öffnungsweite indirekt mittels verschiedener Modellannahmen auf Basis der mechanischen Öffnungsweite und der Kluftrauigkeit. Dabei ergeben sich Abweichungen von bis zu 27 % (Mikroskopkamera) und bis zu 260 % (3D-Laserscanner) verglichen mit den Ergebnissen des Luftpermeameters. Aufbauend auf der Einzelkluftanalyse wird die präsentierte Methodik auf den Feldmaßstab transferiert sowie für die Anwendung an einer Wirtsgesteinsformation für die nukleare Endlagerung optimiert. In der zweiten Studie wird eine HM Charakterisierung einer Auflockerungszone im Opalinuston des Felslabors Mont Terri in der Schweiz vorgenommen. Die Analyse des diskreten Kluftnetzwerks in der untersuchten EZ-B Nische, bestehend aus tektonischen und künstlichen Diskontinuitäten, zeigt, dass die offenliegende Auflockerungszone durch hydraulische Öffnungsweiten von bis zu 112 µm gekennzeichnet ist. Durch fortschreitende Austrocknung der Tunnelwände über einen Zeitraum von etwa 15 Jahren wurden Selbstheilungsprozesse größtenteils unterbunden. Auch die mithilfe von Nadelpenetrometertests vor Ort ermittelten physikalisch-mechanischen Gesteinsparameter verdeutlichen die Sensitivität des Opalinustons gegenüber der Tunnelbelüftung und bilden eine negative Korrelation von Gesteinsfestigkeit bzw. -steifigkeit und Wassergehalt aufgrund eines ausgeprägten hydromechanischen Kopplungsverhaltens ab. Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich auf hydraulisch-chemische (HC) Prozesse im porösen Medium und adressiert den reaktiven Transport in einem Reservoirgestein. Insbesondere durch Lösungs- oder Fällungsreaktionen hervorgerufene Porositäts- und Permeabilitätsänderungen können die Reservoireigenschaften signifikant verändern. Die dritte Studie untersucht die Auflösung von Calcit-Zement im Flechtinger Sandstein sowie die Übertragbarkeit der experimentellen Calcitlösungsraten von der µm-mm-Skala (Mineraloberfläche) auf die cm-Skala (Kernproben). Anhand von Durchflussexperimenten an vier Sandsteinkernen wird die Bandbreite der Lösungsraten auf der cm-Skala für unterschiedliche Reaktionszeiträume sowie variierende hydraulische Randbedingungen ermittelt. Dem gegenübergestellt werden zeitlich und räumlich aufgelöste Calcitlösungsraten auf der µm-mm-Skala aus Oberflächenanalysen mittels vertikal scannender Interferometrie. Auf Grundlage segmentierter Röntgen-Mikrocomputertomografie Scans der Kernproben wird ein geometrischer Ansatz etabliert, um die fluidzugängliche Oberfläche des heterogen verteilten Calcitzements im niedrigpermeablen und komplexen Sandstein abzuschätzen. Auf Grundlage dieses eingeführten Oberflächenparameters wird die Rateninformation der µm-mm-Skala auf die Kernskala übertragen, wobei die Abweichungen zwischen den aufskalierten und den gemessenen Lösungsraten für alle untersuchten Proben weniger als eine Größenordnung betragen. Im Rahmen dieser Arbeit werden verschiedene Messmethoden und Herangehensweisen identifiziert, entwickelt, optimiert und validiert, die zur Beschreibung und Interpretation von gekoppelten hydraulisch-mechanisch-chemischen Prozessen und zur Bestimmung damit zusammenhängender Schlüsselparameter in geklüfteten und porösen Gesteinen genutzt werden können. Der Untersuchungsansatz und die erzielten Ergebnisse bilden daher eine wertvolle Grundlage für die Vorhersage des Verhaltens natürlicher Systeme auf höheren Längen- und Zeitskalen

Dynamics of Contact Angles and Hemiwicking on Rock Fracture Faces

The dynamics of contact angles and capillary wicking (hemiwicking) were investigated on rock fracture surfaces from a selection of low-porosity rocks with different mineralogy: Burlington Limestone, Crossville Sandstone, Mancos Shale, Sierra White Granite, Vermilion Bay Granite, and Westerly Granite. Wetting height data for rough fracture faces were acquired in a parallel view using dynamic neutron radiography at the Oak Ridge National Laboratory Neutron Imaging Facility. Hemiwicking rates on the rock fracture surfaces were determined using a high-speed optical setup with a perpendicular viewpoint. Wetting height versus time relationships for both methods were delineated through changepoint analysis. The contact angle of the fracture surface (����) was then quantified based on the maximum wetting height. Statistical significance was assessed at the 95% confidence level. Analysis of variance indicated statistically significant differences in mean ���� values between rock types. Regression analyses between ���� and the contact angles of polished rock surfaces (����) and the Wenzel Roughness Factor yielded statistically non-significant relationships. Linear regression showed that the median wetting height during hemiwicking behaved linearly with respect to the square root of time. Surface sorptivity was quantified by the proportionality constant between the height of capillary wetting and the square root of time. Analysis of variance indicated statistically significant differences between rock types in mean surface sorptivity values. A statistically significant negative relationship was observed between surface sorptivity and ����, while non-significant relationships were observed between surface sorptivity and ����, and the Wenzel Roughness Factor. An analysis of variance of the interquartile range (IQR) for wetting height revealed statistically significant dependencies on both rock type and time, with no interaction. Overall, the results point to differences in mineralogy, rather than roughness, as the main control of contact angle and hemiwicking dynamics on rock fracture faces

Structural and wetting properties of nature\u27s finest silks (order Embioptera)

Insects from the order Embioptera (webspinners) spin silk fibres which are less than 200 nm in diameter. In this work, we characterized and compared the diameters of single silk fibres from nine species—Antipaluria urichi, Pararhagadochir trinitatis, Saussurembia calypso, Diradius vandykei, Aposthonia ceylonica, Haploembia solieri, H. tarsalis, Oligotoma nigra and O. saundersii. Silk from seven of these species have not been previously quantified. Our studies cover five of the 10 named taxonomic families and represent about one third of the known taxonomic family-level diversity in the order Embioptera. Naturally spun silk varied in diameter from 43.6 ± 1.7 nm for D. vandykei to 122.4 ± 3.2 nm for An. urichi. Mean fibre diameter did not correlate with adult female body length. Fibre diameter is more similar in closely related species than in more distantly related species. Field observations indicated that silk appears shiny and smooth when exposed to rainwater. We therefore measured contact angles to learn more about interactions between silk and water. Higher contact angles were measured for silks with wider fibre diameter and higher quantity of hydrophobic amino acids. High static contact angles (ranging up to 122° ± 3° for An. urichi) indicated that silken sheets spun by four arboreal, webspinner species were hydrophobic. A second contact angle measurement made on a previously wetted patch of silk resulted in a lower contact angle (average difference was greater than 27°) for all four species. Our studies suggest that silk fibres which had been previously exposed to water exhibited irreversible changes in hydrophobicity and water adhesion properties. Our results are in alignment with the ‘super-pinning’ site hypothesis by Yarger and co-workers to describe the hydrophobic, yet water adhesive, properties exhibited by webspinner silk fibres. The physical and chemical insights gained here may inform the synthesis and development of smaller diameter silk fibres with unique water adhesion properties