Imaging of buried utilities by ultra wideband sensory systems

Third-party damage to the buried infrastructure like natural gas pipelines, water distribution pipelines and fiber optic cables are estimated at $10 billion annually across the US. Also, the needed investment in upgrading our water and wastewater infrastructure over the next 20 years is estimated by Environmental Protection Agency (EPA) at$400 billion, however, non-destructive condition assessment technologies capable of providing quantifiable data regarding the structural integrity of our buried assets in a cost-effective manner are lacking. Both of these areas were recently identified several U.S. federal agencies as \u27critical national need\u27. In this research ultra wideband (UWB) time-domain radar technology was adopted in the development of sensory systems for the imaging of buried utilities, with focus on two key applications. The first was the development of a sensory system for damage avoidance of buried pipes and conduits during excavations. A sensory system which can be accommodated within common excavator buckets was designed, fabricated and subjected to laboratory and full-scale testing. The sensor is located at the cutting edge (teeth), detecting the presence of buried utilities ahead of the cutting teeth. That information can be used to alert the operator in real-time, thus avoiding damage to the buried utility. The second application focused on a sensory system that is capable of detecting structural defects within the wall of buried structures as well as voids in the soil-envelope encasing the structure. This ultra wideband sensory system is designed to be mounted on the robotic transporter that travels within the pipeline while collecting data around the entire circumference. The proposed approach was validated via 3-D numerical simulation as well as full-scale experimental testing

Review of Detection and Monitoring Systems for Buried High Pressure Pipelines:Final Report

The Netherlands has approximately two million kilometers of underground cables and pipelines. One specific type of buried infrastructure is the distribution network of hazardous material such as gas, oil, and chemicals (‘transportleiding gevaarlijke stoffen’). This network comprises 22.000 kilometers of high-pressure transportation pipelines. Because they are located under the ground, these pipelines are subject to excavation damages. Incidents in them Belgian Gellingen (2004) and German Ludwigshafen (2014) show that consequences of pipeline damages are significant. They can cause fatalities to excavation workers and impact the environment too. In addition, only direct costs for recovery of damages are estimated by the pipeline owner association (VELIN) to range already from several hundreds of thousands to even a few millions of euros. This figure does not yet include the indirect costs. Serious incidents will eventually undermine the public’s acceptance for hazardous pipelines, so it goes without saying that pipeline excavation incidents should, therefore, be avoided. Nowadays, third parties seem to be causing most of the damage to underground pipelines (Capstick, 2007; CONCAWE, 2013; EGIG, 2015; J. M. Muggleton & Rustighi, 2013). Reasons for this, often mentioned by industry, are that utility location information (KLIC-melding) is not always available and, when available, it is not always accurate or too difficult to interpret by excavator operators. It is crucial to detect underground infrastructure in a timely fashion to avoid damages. For this purpose, initiatives are needed to help excavator operators to detect pipelines and monitor groundworks taking place close to pipelines. Such initiatives could focus on the identification and the development of technologies for pipeline strike avoidance. The first step in this direction was this study – which in turn is related to the Safety Deals that are prepared by the association of pipeline owners in the Netherlands (VELIN) and the Dutch Ministry of Infrastructure and the Environment. VELIN and I&M requested the University of Twente to systematically review existing technologies for excavation damage avoidance. Such an overview is not available to the Dutch industry to date. The project team therefore identified and described existing systems for global monitoring and detection of utilities. These systems eventually help detect clashes between excavator equipment and high-pressure transportation pipelines

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

Qualitative Methods In Microwave Imaging

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2017Thesis (Ph.D.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2017Mikrodalga görüntüleme doğrudan erişilemeyen saçıcıların elektriksel özelliklerini (göreli dielektrik sabiti \u1d716\u1d45f, göreli manyetrik geçirgenlik katsayısı \u1d707\u1d45f iletkenlik \u1d70e yahut debye parametreleri) saçtıkları elektrik alandan tespiti ile ilgilenen yeni bir teknolojidir. Mikrodalga görüntüleme hasarsız muayene, toprak altı görüntüleme, duvar arkası görüntüleme ve biyolojik doku görüntüleme gibi çeşitli tıbbi ve askeri uygulamalarda gelecek vaadeden bir teknikdir. Mikrodalga görüntülenmenin günümüz biliminde bu denli önemli olmasının temel nedeni ise biyolojik dokularla etkileşime geçtiğinde ionize edici bir özelliği olmamasıdır. Bu nedenle mikrodalga görüntüleme günümüzde sıkça kullanılan ve çoğu ionize edici radrasyona bağlı olan görüntüleme teknolojilerinin tümü için çok önemli bir yedek seçenektir. Ters saçılma teorisi nitel görüntüleme yöntemleri adı altında oldukça teorik bir takım yöntemleri literatürde barındırmakradır. Nitel görüntüleme yöntemleri integral denklemlerden saçıcının yalnızca şekil ve konumunun tespiti için kullanılır olup ve saçıcıların yapısı ve şekli ile ilgili herhangi bir ön bilgiye ihtiyaç duymamaktadır. Nitel görüntüleme yöntemlerinin en bilindik iki tanesi: (i) doğrusal örnekleme yöntemi ve (ii) faktörizasyon yöntemidir. Doğrusal örnekleme yöntemi ve faktörizasyon yöntemi formülasyon ve performans açısından birbirine oldukça benzerdir. Kısaca anlatmak gerekirse, doğrusal örnekleme yöntemi tarihsel olarak faktörizasyon yönteminden önce önerilmiş olup henüz matematiksel olarak tam olarak ispat edilememiştir. Faktörizasyon yöntemi ise doğrusal örnkeleme yönteminden esinlenerek geliştirilmiş olup doğruluğu matematiksel olarak da kanıtlanmıştır. Bu iki yönteminde ters problemin birbirine bağlı iki doğrusal olmayan integral denklem olarak ifade edilebildiği mikrodalga görüntülemede kullanılması mümkündür. Mikrodalga görüntülemede geleneksel çözüm yolu doğrusal olan veya doğrusal olmayan optimizasyon metodlarıdır. Bu metotlar eldeki doğrusal olmayan elektromanyeik saçılma problemini bir minimizasyon problemi haline dönüştürür. Ek olarak bu yöntemlerin bazıları doğrusal olmayan saçılma problemini doğrusal hale getirebilmek amacıyla Born yaklaşımını da kullanır. Sonuç olarak eldeki amaç fonksiyonunu minimize etmek amacıyla bilindik bir optimizasyon yöntemini (konjuge gradyan metodu, Newton yöntemi vs.) kullanır. Diğer bir deyişle nicel görüntüleme yöntemi olan bu metotlar fiziksel saçılma mekanizmasını kullaranarak elde edilen ölçülmüş elektrik alanı oluşturacak saçıcının şeklini ve elektriksel özelliklerini (göreli dielektrik sabiti \u1d716\u1d45f, göreli manyetrik geçirgenlik katsayısı \u1d707\u1d45f iletkenlik \u1d70e yahut debye parametreleri) kestirmeye çalışır. Bu nicel yöntemlerin dışında bir de yukarıda da bahsettiğimiz nitel görüntüleme yöntemleri vardır ki bunlar saçılma problemini sadece saçıcıların şeklini ve konumunu bulmak amacıyla çözerler. Nitel görüntülenme yöntemleri, nicel görüntüleme metotlarından farklı olarak hedef cisimlerin şekli ve konumunu tespit amacıyla genellikle elektromanyetik saçılma probleminin belirli bir saçıcı veya saçıcılar kümesi için doğrusal olması gerçeğini ve dualite prensiplerini kullanır. Nitel görüntüleme yöntemlerinin bu görece düşük beklentisi ve doğrusal yapıları onların bilgisayar ortamında kolayca gerçeklenebilmesini ve nicel görüntüleme yöntemlerine oranla çok daha az sürelerde ve çok daha az bir hesaplama yükü ile bilgisayar ortamında çalıştırılabilmesini sağlar. Tecrübelerimize dayanarak örnek vermek gerekirse, üç boyutlu (yaklaşık 150 bin – 300 bin bilinmeyen içeren) bir saçılma probleminin kontrast kaynak yöntemi ile çözülmesi ortalama bir bilgisayarda (8 GB RAM) olarak 1-2 saat alırken, aynı probleme LSM veya FM’nin uygulanması için maksimum 5 – 10 dk. gibi bir süre yeterli olacaktır. Tüm bu avantajalrına rağmen, başta LSM ve FM olmak üzere tüm nitel görüntüleme yöntemleri mühendislik alanında çok da uygulama alanı bulamamaktadır. Bunun başlıca sebepleri nitel görüntüleme yöntemlerinin genellikle çok üst düzey bir matematiksel arkaplana dayanması, bu yöntemlerin matematikçiler tarafından fiziksel şartların ve gerçek hayat durumlarının pek de düşünülmeden ortaya konulmuş olması (yani bu yöntemlerin pek çoğu esas olarak düzlem dalga aydınlatması altında ve ölçümlerin ölçüm mesafesi sonsuza yaklaşırkenki asimptotik halleri için kanıtlanmıştır) ve bu yöntemlerin fiziksel bir zemine oturtulmasının zor olmasıdır. İşte bu sebeblerle nitel görüntüleme yöntemlerinin incelemesi ve nitel görüntüleme yöntemlerinin gerçek hayatta kullanabileceğimiz algoritmalar haline getirilip onların fiziksel arkaplanlarının ve uygulama için gerekli koşulların ortaya konulması önemli bir çalışma alanı teşkil etmektedir. Bu tezin ilk kısmında, iki boyutlu bir uzayda enine manyetik saçılma senaryosu için engebeli bir yüzey altındaki gömülü cisimlerin tespiti amacıyla bir faktörizasyon metodu önerilmiş ve benzetimlerle elde edilmiş sonuçlarla oldukça gerçekçi durumlar için doğrulanmıştır. Esasında engebeli yüzey altında gömülü cisimlerin görüntülenmesi mayın tespiti ve arkelojik gömülerin görüntülenmesi gibi çok değişik uygulamaları olan oldukça karmaşık bir problemdir. Günümüzde yeraltının görüntülenmesi için mikrodalgaları kullanan temel teknoloji uzmanlar tarafından yorumlanması gereken ve sonuçta radaragramlar oluşturan yer radarı (ground penetrating radar, GPR) olduğu bilinmektedir. Bunun haricinde görüntülenmek istenen yeraltı bölgenin elektriksel ve şekilsel özellikleri ile ilgili bilgi veren bazı nitel ters saçılma yöntemleri de literatürde bulunmaktadır. Ayrıca, yeraltı görüntülemede çok önemli bir faktör olan ve çoğu zaman uygulanan yöntemin başarısını belirleyen yüzey engebesinin ise pek az sayıda çalışmada dikkate alındığı gerçeği de bilinmektedir. Bu bağlamda, pek çok görüntüleme probleminde saçıcı cisimlerin yer ve şeklinin tespiti amaçlı kullanılabilecek olan ve aynı anda pek çok sayıda değişik özelliğe sahip saçıcıları da görüntüleyebilen nicel mikrodalga görüntüleme yöntemleri bu problem özelinde de (engebeli bir yüzey altında gömülü saçıcı hedeflerin tespiti) oldukça ilginç bir alternatif teşkil etmektedir. Bundan dolayı tezimizin ilk kısmı bu konu üzerine olan çalışmalarımıza ayrılmıştır. Özel olarak bu kısımda yeraltına gömülü herhangi bir sayıda ve herhangi bir özelliğe sahip saçıcıların yer ve konumları faktörizasyon metodu ile tespit edilecektir. Çalışmamızda sınırlı açıklıklı bir anten dizisi ile belirli bir toprak altı bölgenin taranması durumu değişik aydınlatma frekansları, değişik nem oranına haiz toprak, değişik engebe profilleri, toprağın ve engebe profillerinin kısmen bilindiği durumlar için ayrı ayrı incelenmiş olup her durumda yöntemin başarımı ortaya konmuştur. Elde edilen sonuçlar uygulanan yöntemin gerçek hayattaki problemler için de umut verici olduğunu ortaya koymuştur. Tezin ikinci kısmında ele alınan temel nicel görüntüleme yöntemlerinin gerçek ölçüm düzenekleri için nasıl kullanılacağı problemi ele alınmıştır. Mikrodalga frekanslarında yapılan ölçümlerde yaygın olarak vektör ağ analizörleri (vector network analyzer, VNA) kullanımaktadır. Bu yaygın kullanımın başlıca sebebi vektör ağ analizörlerinin piyasada kolayca bulunabilir oluşu ve bu cihazların gösterdiği yüksek performansdır. Birkaç istisnai durum haricinde mikrodalga görüntüleme problemleri hep saçılan elektrik alan bilgisini kullanıp saçıcı hedeflerin elektriksel parametrelerinin (göreli dielektrik sabiti \u1d716\u1d45f, göreli manyetrik geçirgenlik katsayısı \u1d707\u1d45f iletkenlik \u1d70e yahut debye parametreleri) hesaplanmasını amaçlar. Buna karşın, vektör ağ çözümleyicilerinin ölçtüğü temel büyüklük saçılma parametreleridir. Bu nedenle genellikle yapılan iş ölçülen saçılma parametrelerinin saçılan elektrik alana çevrilmesi için belli başlı prosedürleri uygulamaktır. Saçılma parametreleri ile saçılan elektrik alan arasındaki bu bağlantıyı sağlayan dönüşüm ise genellikle belirli bir geometrik şekle haiz (düzlem, düzgün dairesel silindir veya küre) ve bilindik elektriksel özellikteki cisimlerin ölçülen saçılma parametreleri ile benzetimden elde edilmiş saçılan elektrik alanını karşılaştırmak üzerine kuruludur. Tezin ikinci kısmında bu bilindik kalibrasyon prosedürlerinin yerine daha iyi bir alternatif olarak ele alınan nitel görüntüleme yöntemlerini (doğrusal örneklem yöntemi ve faktörizasyon yöntemi) doğrudan saçılma parametreleri üzerinden yendien formüle ettik. Elde edilen sonuçlar geliştirlen yöntemin hem iki boyutlu hem de üç boyutlu görüntüleme de çok satbil ve doğru bir şekilde çalıştığını göstermektedir. Tezin üçüncü ve son kısmında ise ele alınan nitel görüntüleme yöntemleri (doğrusal örneklem yöntemi ve faktörizasyon yöntemi) ile saklı cisim tespiti probleminin çözümü üzerine yoğunlaştık. Saklı cisim tespiti problemi gerçek hayat uygulamalarında, özellikle çeşitli medikal ve askeri uygulamalarda, pek çok durumda karşımıza çıkmaktadır. Saklı cisim tespiti problemleminin çözümündeki temel zorluk ele alınan (görüntülenmesi hedeflenen) ortamın her noktasındaki elektriksel parametrelerin (göreli dielektrik sabiti \u1d716\u1d45f, göreli manyetrik geçirgenlik katsayısı \u1d707\u1d45f iletkenlik \u1d70e yahut debye parametreleri) hesaplanmasının gerekliliğidir. Bugüne kadar ele alınan ortamın tüm elektriksel parametrelerinin her noktadaki hesabı için pek çok değişik nicel görüntülüme yöntemi geliştirilmiş ve doğrulanmıştır. Ancak tüm nicel görüntüleme yöntemleri gibi bu yöntemlerinde oldukça ağır bir hesaplama yükü içerdiği gerçeği ortadadır. Daha önce de bahsedildiği üzere nicel yöntemlerin aksine nitel görüntüleme yöntemleri daha basit şekilde bilgisayar ortamında gerçeklenebilen daha basit formülasyonlara sahip ve hesaplama zamanı ve yükü nicel görüntüleme yöntemlerine oranla oldukça düşük olan yöntemlerdir. Tüm bu avantajlarına rağmen nitel görüntüleme yöntemleri saklı cisim tespitinde oldukça az kullanılmıştır. Bunun başlıca sebepleri, yukarıda da bahsedildiği üzere, bu yöntemlerin çok üst düzey bir matematiksel arkaplana dayanması, nitel görüntüleme yöntemlerinin matematikçiler tarafından fiziksel şartların ve gerçek hayat durumlarının pek de düşünülmeden ortaya konulmuş olması ve bu yöntemlerin fiziksel bir zemine oturtulmasının zor olmasıdır. Özel olarak saklı cisim tespiti problemi için bakacak olursak, nitel görüntüleme yöntemleri saklı cisim tespiti probleminde şu iki temel bilgiye ihtiyaç duyar: (i) cisimlerin gömülü olduğu ortamın elektriksel özellikleri (göreli dielektrik sabiti \u1d716\u1d45f, göreli manyetrik geçirgenlik katsayısı \u1d707\u1d45f iletkenlik \u1d70e yahut debye parametreleri) (ii) gömülü cisimlerin olmadğı duumda arka plandan saçılan elektrik alan bilgisi. Açıktır ki bu iki bilginin her ikisini de aynı anda sağlamak neredeyse tüm problemler için imkansızdır. Bu sebeple biz tzin bu üçüncü ve son kısmında bu önsel bilgi probleminin çözümü amacıyla bir yöntem önerdik. Özel olarak, pek çok saklı cisim tespiti probleminde yukarıdaki ikinci bilgi ((ii) gömülü cisimlerin olmadğı duumda arka plandan saçılan elektrik alan bilgisi) aslında elde edilebilir olup bu bilgi ışığında ilk önsel bilgiyi kullanmadan eldeki nitel görüntüleme yöntemlerinin yüksek bir başarımla çalıştırılabileğini önerdik. Elde edilen sonuçlar önerdiğimiz yöntemin oldukça stabil ve doğru bir biçimde çalıştığını doğrular niteliktedir.Microwave imaging (MWI) emerges as a novel technology that aims to extract physical properties of inaccessible objects from the scattered electric field measurements. MWI covers a very wide range of applications which includes but not limited to nondestructive testing (NDT), subsurface imaging, through wall imaging, biological imaging. The most important factor that tends the scientists to imaging with microwaves is non-ionizing nature of MWI when interacted with biological tissues. Therefore, MWI can be regarded as a healthy alternative of current imaging technologies, which are mostly based on ionizing radiation. Inverse scattering theory provides a group of highly theoretical approaches, known as qualitative method. These methods are based on inverting an integral equation for each point over a reconstruction domain to determine only the shape and the position of unknown scatterers without requiring any a-priori information. Two well-known representatives of qualitative inverse scattering methods are (i) linear sampling method (LSM) and (ii) factorization method (FM). These two methods are in fact quite similar in formulation as well as performance. These qualitative approaches are also usable in the MWI, where the inverse problem can be casted into two integral equations. Traditional solution approaches for MWI are based on non-linear or linear optimization methods. These methods recasts the nonlinear scattering problem in form of a minimization problem. Additionally, they can utilize Born approximation to linearize the problem and then the cost function is minimized via one of the canonical optimization approaches such as conjugate gradient method, newton’s method. In other words, these methods model the physical scattering mechanism to determine electrical properties of dielectric objects and attempts to minimize a cost functional by using a canonical minimization procedure. In contrast to these approaches, the qualitative inverse scattering methods uses linearity of the scattering problem or the duality principle to reach their final aim, which is obtaining the support of the scatterer. Thus, their modest goals and linear nature make these qualitative approaches easier to implement and more efficient in use of computational resources. In contrast to all these attractive features, both LSM and FM are rarely investigated from an engineering perspective due to their mathematical background. Hence, analyzing these methods from an engineering perspective and making these methods applicable in real world imaging scenarios is an important problem. In the first part of the thesis, we analyze the problem of imaging buried targets under a rough surface for a two dimensional transverse magnetic scattering scenario. In fact, imaging of buried targets under the rough ground is a challenging inverse scattering problem with many applications in engineering such as land mine detection and remote sensing of archaeological artefacts. Conventional technology that uses microwaves for subsurface sensing of the underground is ground penetrating radar (GPR) which generates radargrams that require further interpretation by experts. Also, various quantitative inverse scattering methods are existent in the literature to provide additional information on the morphological and electrical properties of buried obstacles. Furthermore, the surface roughness, which is a critical factor that determines the limits of subsurface imaging, are only considered in a very few studies. In this context, qualitative inverse scattering methods, which are almost exclusively used for reconstructing the shape of inaccessible targets from the scattered field measurements, are particularly interesting since such methods can image multiple objects without requiring a-priori knowledge. Thus, we present a qualitative imaging method for subsurface sensing under a rough surface. The method relies on FM, where the aim is to retrieve the shape of unknown dielectric objects embedded inside a dielectric body whose closed boundary and electrical parameters are known a priori. Results show the stability and accuracy of the proposed method under very realistic conditions. In the second part of this thesis, the problem of using the qualitative methods in the real world measurement scenario is addressed. In the real world applications imaging systems extensively incorporate vector network analyzers (VNAs) instead of implementing additional modules to perform microwave measurements. This is particularly driven by availability of high performance VNAs. While there are alternative ways of reconstructing an image in MWI, imaging methods are naturally formulated in terms of scattered electric field vectors whereas measured scattering parameters (S-parameters) are only auxiliary quantities. Consequently, an intermediate step is required for experimental setups where measured S-parameters are mapped into scattered electric field. This is mostly handled by comparing simulated electric fields against measured S-parameters. As a better alternative to the canonical calibration procedures, we develop novel qualitative microwave imaging algorithms, which uses the measured S-parameters directly. Obtained experimental results prove the accuracy and the stability of the presented method. In the third and last part of the thesis, we consider the problem of using qualitative imaging methods in real world concealed target imaging scenarios. Real world concealed target detection can have different applications ranging from medical imaging to subsurface sensing, as mentioned above. Main challenge for such inverse problems is that the solution procedures are expected to capture the electrical parameters (relative dielectric constant \u1d716\u1d45f, conductivity \u1d70e) of whole medium, which includes the buried objects. Up to date, many quantitative techniques are developed to obtain the complete electrical parameter distribution of a medium. However, if we take a glance at these formulations, we can see that they involve a considerable computational burden. Being contradictory to quantitative techniques, qualitative inversion methods, which aim to recover only the shape of the scatterers, have relatively simple formulations and require lower computational resources. In contrast to such obvious advantages, qualitative inversion techniques are rarely employed in buried obstacle detection, since these methods have strong a priori knowledge requirements in their original form. In particular, to be able to detect the shape of an inclusion by means of these methods, we must supply these two a priori pieces of information: (i) the dielectric parameters of the surrounding medium and (ii) the scattered field when there is no buried object inside the surrounding medium. It is obvious that fulfilling such strong conditions altogether is of a serious issue in any imaging problem. To this end, we propose a strategy to overcome the a priori knowledge requirement on the dielectric parameters of the surrounding medium. Results, which are obtained from real experiments performed in an anechoic chamber, confirm the accuracy and the stability of the proposed formulations.DoktoraPh.D

“Unlocking” the Ground: Increasing the Detectability of Buried Objects by Depositing Passive Superstrates

One of the main problems when trying to detect the position and other characteristics of a small inclusion into lossy earth via external measurements is the inclusion’s poor scattering response due to attenuation. Hence, increasing the scattered power generated by the inclusion by using not an active but a passive material is of great interest. To this direction, we examine, in this work, a procedure of “unlocking” the ground by depositing a thin passive layer of conventional material atop of it. The first step is to significantly enhance the transmission into a lossy half space, in the absence of the inclusion, by covering it with a passive slab. The redistribution of the fields into the slab and the infinite half space, due to the interplay of waves between the interfaces, makes possible to determine the thickness and permittivity of an optimal layer. The full boundary value problem (including the inclusion and the deposited superstrate) is solved semi-analytically via integral equations techniques. Then, the scattered power of the buried inclusion is compared to the corresponding quantity when no additional layer is present. We report substantial improvement in the detectability of the inclusion for several types of ground and burying depths by using conventional realizable passive materials. Implementation aspects in potential applications as well as possible future generalizations are also discussed. The developed technique may constitute an effective “configuration (structural) preprocessing” which may be used as a first step in the analysis of related problems before the application of an inverse scattering algorithm concerning the efficient processing of the scattering dat

“Unlocking” the Ground: Increasing the Detectability of Buried Objects by Depositing Passive Superstrates

One of the main problems when trying to detect the position and other characteristics of a small inclusion into lossy earth via external measurements is the inclusion’s poor scattering response due to attenuation. Hence, increasing the scattered power generated by the inclusion by using not an active but a passive material is of great interest. To this direction, we examine, in this work, a procedure of “unlocking” the ground by depositing a thin passive layer of conventional material atop of it. The first step is to significantly enhance the transmission into a lossy half space, in the absence of the inclusion, by covering it with a passive slab. The redistribution of the fields into the slab and the infinite half space, due to the interplay of waves between the interfaces, makes possible to determine the thickness and permittivity of an optimal layer. The full boundary value problem (including the inclusion and the deposited superstrate) is solved semi-analytically via integral equations techniques. Then, the scattered power of the buried inclusion is compared to the corresponding quantity when no additional layer is present. We report substantial improvement in the detectability of the inclusion for several types of ground and burying depths by using conventional realizable passive materials. Implementation aspects in potential applications as well as possible future generalizations are also discussed. The developed technique may constitute an effective “configuration (structural) preprocessing” which may be used as a first step in the analysis of related problems before the application of an inverse scattering algorithm concerning the efficient processing of the scattering dat

Near-field examination of perovskite-based superlenses and superlens-enhanced probe-object coupling

A planar slab of negative index material works as a superlens with sub-diffraction-limited imaging resolution, since propagating waves are focused and, moreover, evanescent waves are reconstructed in the image plane. Here, we demonstrate a superlens for electric evanescent fields with low losses using perovskites in the mid-infrared regime. The combination of near-field microscopy with a tunable free-electron laser allows us to address precisely the polariton modes, which are critical for super-resolution imaging. We spectrally study the lateral and vertical distributions of evanescent waves around the image plane of such a lens, and achieve imaging resolution of wavelength/14 at the superlensing wavelength. Interestingly, at certain distances between the probe and sample surface, we observe a maximum of these evanescent fields. Comparisons with numerical simulations indicate that this maximum originates from an enhanced coupling between probe and object, which might be applicable for multifunctional circuits, infrared spectroscopy, and thermal sensors.Comment: 20 pages, 6 figures, published as open access article in Nature Communications (see http://www.nature.com/ncomms/

Geophysical Surveys for Buried Waste Detection at the Idaho National Engineering Laboratory

This report describes a series of geophysical surveys performed at the Idaho National Engineering Laboratory (INEL). The main purpose of the surveys was to evaluate techniques, principally ground-penetrating radar, for detecting and mapping radioactive wastes buried in shallow trenches and pits

Coupling Ground Penetrating Radar Applications with Continually Changing Decomposing Human Remains

Locating the clandestine burial of human remains has long perplexed law enforcement officials involved in crime scene investigations, and continues to bewilder all the scientific disciplines that have been incorporated into their search and recovery. Locating concealed human remains can often be compared to the proverbial search for a needle in the haystack. Many notable forensic specialists and law enforcement agencies, in an effort to alleviate some of the bewilderment that commonly accompanies the search for a buried body, suggest that multidisciplinary search efforts are becoming more of a necessity, and less of an option. Research at the University of Tennessee’s Anthropological Research Facility (ARF) in Knoxville supports this theory through a collaborative research effort directed toward the development of more efficient and effective methods in the search for, and detection of, buried human remains. The Department of Anthropology, in conjunction with the University’s Department of Biosystems Engineering and Environmental Science, has correlated the use of ground penetrating radar (GPR) with postmortem processes of decomposing human targets. Two and three dimensional imagery programs were utilized to optimize the analysis and interpretation of the data acquired over the past eight months. The processed images were then compared to models of human decompositional stages. The results of this research support and acknowledge that GPR is only capable of enhancing field methods in the search for clandestine burials, and when coupled with target-specific geophysical imagery software, contributes valuable working knowledge in regards to the contents of the burial itself. Hence, such resources can only be seen as beneficial to a search teams’ endeavors