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

Performance Analysis of Tomographic Methods Against Experimental Contactless Multistatic Ground Penetrating Radar

Ground-penetrating radar (GPR) technology for underground exploration consists of the transmission of an electromagnetic signal in the ground for sensing the presence of buried objects. While monostatic or bistatic configurations are usually adopted, a limited number of multistatic GPR systems have been proposed in the scientific literature. In this article, we investigate the recovery performance of a specific and unconventional contactless multistatic GPR system, designed at the Georgia Institute of Technology for the subsurface imaging of antitank and antipersonnel plastic mines. In particular, for the first time, tomographic approaches are tested against this experimental multistatic GPR system, while most GPR processing in the scientific literature processes multimonostatic experimental data sets. First, by mimicking the system at hand, an accurate theoretical as well as numerical analysis is performed in order to estimate the data information content and the performance achievable. Two different tomographic linear approaches are adopted, i.e., the linear sampling method and the Born approximation (BA) method, this latter enhanced by means of the compressive sensing (CS) theoretical framework. Then, the experimental data provided by the Georgia Institute of Technology are processed by means of a multifrequency CS- and BA-based method, thus generating very accurate 3D maps of the investigated underground scenario

An evaluation of the performance of multi-static handheld ground penetrating radar using full wave inversion for landmine detection

This thesis presents an empirical study comparing the ability of multi-static and bi-static, handheld, ground penetrating radar (GPR) systems, using full wave inversion (FWI), to determine the properties of buried anti-personnel (AP) landmines. A major problem associated with humanitarian demining is the occurrence of many false positives during clearance operations. Therefore, a reduction of the false alarm rate (FAR) and/or increasing the probability of detection (POD) is a key research and technical objective. Sensor fusion has emerged as a technique that promises to significantly enhance landmine detection. This study considers a handheld, combined metal detector (MD) and GPR device, and quantifies the advantages of the use of antenna arrays. During demining operations with such systems, possible targets are detected using the MD and further categorised using the GPR, possibly excluding false positives. A system using FWI imaging techniques to estimate the subsurface parameters is considered in this work.A previous study of multi-static GPR FWI used simplistic, 2D far-field propagation models, despite the targets being 3D and within the near field. This novel study uses full 3D electromagnetic (EM) wave simulation of the antenna arrays and propagation through the air and ground. Full EM simulation allows the sensitivity of radio measurements to landmine characteristics to be determined. The number and configuration of antenna elements are very important and must be optimised, contrary to the 2D sensitivity studies in (Watson, Lionheart 2014, Watson 2016) which conclude that the degree (number of elements) of the multi-static system is not critical. A novel sensitivity analysis for tilted handheld GPR antennas is used to demonstrate the positive impact of tilted antenna orientation on detection performance. A time domain GPR and A-scan data, consistent with a commercial handheld system, the MINEHOUND, is used throughout the simulated experiments which are based on synthetic GPR measurements.Finally, this thesis introduces a novel method of optimising the FWI solution through feature extraction or estimation of the internal air void typically present in pressure activated mines, to distinguish mines from non-mine targets and reduce the incidence of false positives

DETERMINE: Novel Radar Techniques for Humanitarian Demining

Today the plague of landmines represent one of the greatest curses of modern time, killing and maiming innocent people every day. It is not easy to provide a global estimate of the problem dimension, however, reported casualties describe that the majority of the victims are civilians, with almost a half represented by children. Among all the technologies that are currently employed for landmine clearance, Ground Penetrating Radar (GPR) is one of those expected to increase the efficiency of operation, even if its high-resolution imaging capability and the possibility of detecting also non-metallic landmines are unfortunately balanced by the high sensor false alarm rate. Most landmines may be considered as multiple layered dielectric cylinders that interact with each other to produce multiple reflections, which will be not the case for other common clutter objects. Considering that each scattering component has its own angular radiation pattern, the research has evaluated the improvements that multistatic configurations could bring to the collected information content. Employing representative landmine models, a number of experimental campaigns have confirmed that GPR is capable of detecting the internal reflections and that the presence of such scattering components could be highlighted changing the antennas offset. In particular, results show that the information that can be extracted relevantly changes with the antenna separation, demonstrating that this approach can provide better confidence in the discrimination and recognition process. The proposed bistatic approach aims at exploiting possible presence of internal structure beneath the target, which for landmines means the activation or detonation assemblies and possible internal material diversity, maintaining a limited acquisition effort. Such bistatic configurations are then included in a conceptual design of a highly flexible GPR system capable of searching for landmines across a large variety of terrains, at reasonably low cost and targeting operators safety

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

Advanced Techniques for Ground Penetrating Radar Imaging

Ground penetrating radar (GPR) has become one of the key technologies in subsurface sensing and, in general, in non-destructive testing (NDT), since it is able to detect both metallic and nonmetallic targets. GPR for NDT has been successfully introduced in a wide range of sectors, such as mining and geology, glaciology, civil engineering and civil works, archaeology, and security and defense. In recent decades, improvements in georeferencing and positioning systems have enabled the introduction of synthetic aperture radar (SAR) techniques in GPR systems, yielding GPR–SAR systems capable of providing high-resolution microwave images. In parallel, the radiofrequency front-end of GPR systems has been optimized in terms of compactness (e.g., smaller Tx/Rx antennas) and cost. These advances, combined with improvements in autonomous platforms, such as unmanned terrestrial and aerial vehicles, have fostered new fields of application for GPR, where fast and reliable detection capabilities are demanded. In addition, processing techniques have been improved, taking advantage of the research conducted in related fields like inverse scattering and imaging. As a result, novel and robust algorithms have been developed for clutter reduction, automatic target recognition, and efficient processing of large sets of measurements to enable real-time imaging, among others. This Special Issue provides an overview of the state of the art in GPR imaging, focusing on the latest advances from both hardware and software perspectives

Through-the-Wall Imaging and Multipath Exploitation

We consider the problem of using electromagnetic sensing to estimate targets in complex environments, such as when they are hidden behind walls and other opaque objects. The often unknown electromagnetic interactions between the target and the surrounding area, make the problem challenging. To improve our results, we exploit information in the multipath of the objects surrounding both the target and the sensors. First, we estimate building layouts by using the jump-diffusion algorithm and employing prior knowledge about typical building layouts. We also take advantage of a detailed physical model that captures the scattering by the inner walls and efficiently utilizes the frequency bandwidth. We then localize targets hidden behind reinforced concrete walls. The sensing signals reflected from the targets are significantly distorted and attenuated by the embedded metal bars. Using the surface formulation of the method of moments, we model the response of the reinforced walls, and incorporate their transmission coefficients into the beamforming method to achieve better estimation accuracy. In a related effort, we utilize the sparsity constraint to improve electromagnetic imaging of hidden conducting targets, assuming that a set of equivalent sources can be substituted for the targets. We derive a linear measurement model and employ l1 regularization to identify the equivalent sources in the vicinity of the target surfaces. The proposed inverse method reconstructs the target shape in one or two steps, using single-frequency data. Our results are experimentally verified. Finally, we exploit the multipath from sensor-array platforms to facilitate direction finding. This in contrast to the usual approach, which utilizes the scattering close to the targets. We analyze the effect of the multipath in a statistical signal processing framework, and compute the Cramer-Rao bound to obtain the system resolution. We conduct experiments on a simple array platform to support our theoretical approach

Utilizing higher-order basis functions for estimating the shape of metallic and dielectric objects

Представљена је квалитативна метода нумеричке електромагнетике за микроталасно формирање слике, која се ослања на решавање инверзног проблема расејања. У уводном делу дат је преглед литературе и укратко су дефинисане предности предложеног алгоритма у односу на већ постојеће методе. Након увода, дефинисани су основни постулати инверзних проблема и упоређени са добро познатом формулацијом директних електромагнетских проблема. Након тога, објашњене су потешкоће које настају при решавању инверзних проблема, односно показано је да су они у општем случају нелинеарни и некоректно постављени. Такође, детаљно је описана техника развоја по мултиполима као фундаментална алатка у аналитичкој електромагнетици, на којој се заснива приказана метода...An electromagnetic qualitative microwave imaging method, which relies on solving an inverse scattering problem, is presented. In the introductory part of this dissertation, the state-of-the-art is briefly summarized. Also, main advantages of the proposed method, compared to other known methods, are outlined. After the introduction, we define the basic idea of an inverse problem, compared to the well-known direct electromagnetic problem formulation. Then, we explain the main difficulties arising during an attempt to solve such an inverse problem, i.e., it is shown that these problems are generally non-linear and ill-posed. Also, the multipole expansion technique, as a fundamental tool in analytical electromagnetics, is described in detail..