SPOT-GPR: a freeware tool for target detection and localizationin GPR data developed within the COST action TU1208

SPOT-GPR (release 1.0) is a new freeware tool implementing an innovative Sub-Array Processing method, for the analysis of Ground-Penetrating Radar (GPR) data with the main purposes of detecting and localizing targets. The software is implemented in Matlab, it has a graphical user interface and a short manual. This work is the outcome of a series of three Short-Term Scientific Missions (STSMs) funded by European COoperation in Science and Technology (COST) and carried out in the framework of the COST Action TU1208 “Civil Engineering Applications of Ground Penetrating Radar” (www.GPRadar.eu). The input of the software is a GPR radargram (B-scan). The radargram is partitioned in subradargrams, composed of a few traces (A-scans) each. The multi-frequency information enclosed in each trace is exploited and a set of dominant Directions of Arrival (DoA) of the electromagnetic field is calculated for each sub-radargram. The estimated angles are triangulated, obtaining a pattern of crossings that are condensed around target locations. Such pattern is filtered, in order to remove a noisy background of unwanted crossings, and is then processed by applying a statistical procedure. Finally, the targets are detected and their positions are predicted. For DoA estimation, the MUltiple SIgnal Classification (MUSIC) algorithm is employed, in combination with the matched filter technique. To the best of our knowledge, this is the first time the matched filter technique is used for the processing of GPR data. The software has been tested on GPR synthetic radargrams, calculated by using the finite-difference timedomain simulator gprMax, with very good results

A practical guide on using SPOT-GPR, a freeware tool implementing a SAP-DoA technique

This is a software paper, which main objective is to provide practical information on how to use SPOT-GPR release 1.0, a MATLAB®-based software for the analysis of ground penetrating radar (GPR) profiles. The software allows detecting targets and estimating their position in a two-dimensional scenario, it has a graphical user interface and implements an innovative sub-array processing method. SPOT-GPR was developed in the framework of the COST Action TU1208 “Civil Engineering Applications of Ground Penetrating Radar” and is available for free download on the website of the Action (www.GPRadar.eu)

SPOT-GPR: A Freeware Toolfor Target Detection and Localizationin GPR Data Developedwithin the COST Action TU1208, Journal of Telecommunications and Information Technology, 2017, nr 3

SPOT-GPR (release 1.0) is a new freeware tool implementing an innovative Sub-Array Processing method, for the analysis of Ground-Penetrating Radar (GPR) data with the main purposes of detecting and localizing targets. The software is implemented in Matlab, it has a graphical user interface and a short manual. This work is the outcome of a series of three Short-Term Scientific Missions (STSMs) funded by European COoperation in Science and Technology (COST) and carried out in the framework of the COST Action TU1208 “Civil Engineering Applications of Ground Penetrating Radar” (www.GPRadar.eu). The input of the software is a GPR radargram (B-scan). The radargram is partitioned in subradargrams, composed of a few traces (A-scans) each. The multi-frequency information enclosed in each trace is exploited and a set of dominant Directions of Arrival (DoA) of the electromagnetic field is calculated for each sub-radargram. The estimated angles are triangulated, obtaining a pattern of crossings that are condensed around target locations. Such pattern is filtered, in order to remove a noisy background of unwanted crossings, and is then processed by applying a statistical procedure. Finally, the targets are detected and their positions are predicted. For DoA estimation, the MUltiple SIgnal Classification (MUSIC) algorithm is employed, in combination with the matched filter technique. To the best of our knowledge, this is the first time the matched filter technique is used for the processing of GPR data. The software has been tested on GPR synthetic radargrams, calculated by using the finite-difference time-domain simulator gprMax, with very good results

Short-Term Scientific Missions on electromagnetic modelling and inversion techniques for Ground Penetrating Radar-COST Action TU1208

This work aims at offering an overview on the scientific results stemming from a selection of Short-Term Scientific Missions (STSMs) funded by the COST (European COoperation in Science and Technology) Action TU1208 "Civil Engineering Applications of Ground Penetrating Radar" and dealing with the development of electromagnetic modelling and inversion techniques for Ground Penetrating Radar applications. STSMs are important means to develop linkages and scientific collaborations between participating institutions involved in a COST Action. Scientists have the possibility to go to an institution abroad, in order to undertake joint research and share experience, techniques, equipment and infrastructures that may not be available in their own institution

Microwave systems for plasma heating in nuclear fusion and for buried objects detection

Nel presente lavoro di tesi vengono trattate approfonditamente alcune tematiche relative allo studio di sistemi alla microonde per applicazioni di rilevazione di oggetti sepolti ed accoppiamento di potenza elettromagnetica a plasmi fusionistici. In particolare, il lavoro sarà convenientemente presentato in due parti nelle quali si esporranno estensivamente sia l'impianto teorico associato allo stato dell'arte di ciascun argomento, sia i principali contributi di innovazione che costituiscono l'elemento originale del lavoro. Particolare enfasi sar a rivolta alla presentazione dei risultati, che verranno organizzati in modo da rendere il pi u possibile esaustiva l'analisi dei diversi scenari. Nella prima parte sar a dapprima introdotto il problema della rilevazione e localizzazione di oggetti cilindrici sepolti, operando alcune ipotesi semplificative circa la struttura fisica dei mezzi considerati, in particolare si assumer à un modello di propagazione elettromagnetica ideale nel quale non sono tenute in considerazione le perdite dovute alla conducibilit à non infinita nei conduttori e nulla nei dielettrici. Questi ultimi, inoltre, sono stati assunti lineari, isotropi, omogenei e non dispersivi, in modo da ricavare un modello elettromagnetico semplificato quantunque utile in molte applicazion pratiche. Gli scenari di riferimento, in questo caso, sono molteplici, a partire dalle indagini sottosuperficiali in terreni sabbiosi per attivit a di sminamento, fino alle prospezioni non invasive di strutture in cemento o lastricati stradali. Le caratteristiche del problema di localizzazione possono essere associate con l'inversione dello scattering elettrognetico che e molto spesso trattato attraverso la "teoria dei problemi inversi". A differenza delle tecniche pi u utilizzate, come ad esempio la tomografia o l'approccio Ground Penetrating Radar, la tecnica che è stata sviluppata prevede un formalismo di tipo elettromagnetico per il problema diretto (che riguarda cio è la derivazione dei contributi di campo elettromagnetico generato dalle correnti indotte sugli oggetti e successivamente re-irradiato verso l'antenna), mentre affronta il problema dell'inversione attraverso una tecnica basata sulla stima delle direzioni di arrivo del segnale di uso dagli oggetti sepolti. Nel Capitolo 1, sar à quindi costruita l'impalcatura teorica che riguarda il modello del segnale e del rumore, e saranno brevemente introdotti i metodi di stima che sono stati implementati. In particolare, essi saranno divisi in tre gruppi a seconda delle loro caratteristiche. Alla fine del capitolo sar a invece descritta la tecnica statistica che è stata adottata per estrarre una stima della posizione degli oggetti. Nel Capitolo 2 verrà analizzata la localizzazione di un singolo cilindro, supposto dapprima perfettamente conduttore e successivamente dielettrico, assumendo diverse combinazioni tra l'indice di rifrazione del cilindro e quello del mezzo di sepoltura. In questo caso, verranno eseguite delle variazioni di alcuni parametri, come ad esempio il raggio dell'oggetto o la posizione rispetto all'array, per derivare alcune indicazioni circa la robustezza della procedura di stima. In secondo luogo sar a presentata una analisi legata alla possibilit à di estrarre informazioni circa le dimensioni dell'oggetto sepolto. Nel Capitolo 3, il procedimento verr à esteso al caso delle localizzazione di due cilindri, attraverso l'utilizzo di alcuni algoritmi di data mining, di cui ci siamo serviti per elaborare i dati ottenuti dalla stima delle direzioni di arrivo. Dopo un breve accenno sui costituenti fondamentali della "clustering analysis", saranno descritti gli algoritmi di nostro interesse. Successivamente, verr à dato un ampio spazio alla presentazione dei risultati all'interno di una casistica molto esauriente nella quale sono stati considerati inizialmente due cilindri conduttori variando l'indice di rifrazione del mezzo ospite e ancora due cilindri dielettrici aventi differente indice di rifrazione rispetto al mezzo di sepoltura e rispetto a s e stessi. Anche in questo caso la variazione dei parametri ha interessato sia la dimensione dei cilindri che la loro posizione, evidenziando un buona capacità di localizzazione in molti dei casi esaminati. In particolare, la procedura si è dimostrata particolarmente adatta alla localizzazione di cavit à cilindriche sia nel caso di un singolo oggetto che di coppie di oggetti. Alla fine del capitolo sar à offerta una ampia bibliografia sui diversi argomenti. Nella seconda parte della tesi, ci occuperemo della progettazione di alcuni componenti a microonde per il riscaldamento di plasmi fusionistici. Il lavoro prodotto in questo campo, scaturisce dalla collaborazione pluriennale dell'Universit à di Roma Tre con ENEA-Fusmag all'interno dell'Associazione Euratom. In particolare, nel corso degli anni 2009, 2010 e 2011, si sono affrontate alcune problematiche relative alla progettazione di un sistema addizionale di riscaldamento a radiofrequenza per la risonanza ibrida inferiore, nell'ambito del progetto europeo denominato ITER (International Thermonuclear Reactor Experiment). La collaborazione ha rigurdato il task dell'European Fusion Development Agreement (EFDA) WP08-03-01 LH4IT e si e conclusa con la pubblicazione di un Report tecnico sull'argomento (EU contribution to the ITER LHCD development plan). Dopo una introduzione generale sulle macchine termonucleari a confinamento magnetico (Tokamak), verranno presentati i principali obbiettivi tecnologici che si è inteso raggiungere con il presente studio. Nel Capitolo 1 saranno fornite alcune basi teoriche riguardanti le implementazioni di componenti a microonde di particolare interesse per questo tipo di applicazioni. Saranno considerati rispettivamente, un convertitore tra quattro guide retangolari in regime unimodale e una guida circolare in regime surmodato, una serie di filtri di modo ottenuti tramite opportune corrugazioni in guida rettangolare, ed infine alcune rilevanti tipologie di curve in guida rettangolare surmodata con delle interessanti proprietà in grado di mitigare l'eccitazione di modi spuri dovuta alla presenza della discontinuità. Lo studio di componenti in guida d'onda in regime surmodato è un argomento che di fficilmente viene affrontato nella letteratura scientifica; anche gli strumenti teorici a disposizione del progettista sono di gran lunga trascurati rispetto ad altri settori dell'elettromagnetismo applicato. Appare quindi di particolare interesse aver conseguito un modesto know-how in questo tipo di applicazioni, non solo in fase di sintesi, attraverso l'utilizzo di CAD elettromagnetici, ma sopratutto nel momento di analisi, dove si è sviluppata una certa "sensibilit a" nell'affrontare i numerosi problemi della propagazione elettromagnetica in regime multi-modale. Nel Capitolo 2 sar a descritto in dettaglio il funzionamento di un componente innovativo in grado di convertire quattro guide a sezione rettangolare operanti nel loro modo fondamentale, in una guida circolare surmodata rispetto alla frequenza di utilizzo, operante nel solo modo circolare elettrico. Lo scopo di questo componente è quello di ridurre al minimo possibile l'attenuazione in guida e consentire la trasmissione di potenza in lunghi tratti di linea di trasmissione. Nello specifico, saranno descritte le fasi principali del progetto, lo studio prestazionale ed infine l'analisi delle non idealit à. Nel Capitolo 3 sar à affrontato il complicato tema della progettazione di componenti in guide rettangolari funzionanti in regime surmodato, con particolare attenzione verso il filtraggio selettivo e il controllo dell'eccitazione di modi di ordine superiore. A questo proposito, è stata di particolare interesse la progettazione di curve in guida rettangolare in regime multi-modale in grado di limitare il pi u possibile l'accoppiamento tra il modo fondamentale e i modi di ordine superiore all'uscita della discontinuit à, in modo da minimizzare lo scambio di potenza tra essi, conservando pressoch é inalterata la trasmissione del modo fondamentale, come richiesto per questo tipo di applicazioni. Infine, anche per questa sezione, un'ampia bibliografia forniràa gli adeguati strumenti di approfondimento

Application of a SAP-DoA method to GPR data for the location of reinforcing elements in concrete

A Sub-Array Processing approach was recently developed and implemented by the Authors, to detect targets lying in the near field of an antenna array. In such method, an array of receivers is partitioned in sub-arrays; for each of them, the number of incoming signals and their directions are predicted by using Direction-of-Arrival algorithms. In this paper, the technique is revised and extended to the case of ultra wideband signals, in order to investigate its applicability to Ground-Penetrating Radar (GPR) data processing. Tests are performed on reference synthetic data, calculated by using a freeware tool implementing the finite-difference time-domain method and included in the database of COST Action TU1208 "Civil engineering applications of Ground Penetrating Radar." In particular, three concrete cells are considered: the first cell hosts five circular-section steel rods, with different radii and positions, in the second cell four metallic and dielectric rods are embedded, in the third cell an angle bar, a box section and a u-channel are present. The first and second tests aimed at demonstrating the capability of the procedure to correctly locate multiple objects in concrete. The third more ambitious test aimed at verifying whether the procedure could distinguish between different shapes of typical reinforced concrete elements. This work was carried out within the Short-Term Scientific Mission COST-STSM-TU1208-26649. The paper is concluded with a brief overview of the activities carried out within Working Group 3 of COST Action TU1208, dealing with the development of electromagnetic modelling, imaging, inversion and data-processing tools for GPR

A Direction-of-Arrival Approach for the Subsurface Localization of a Dielectric Object

"In this paper, a technique based on Sub-Array Processing and Direction of Arrival estimation is applied, for the localization of buried cavities and dielectric cylinders. The same approach has been previously employed for the sensing of perfectly-conducting objects, with good results. Here, several scenarios are examined, assuming different permittivity values for both the scatterer and hosting medium. The position and size of the cylinder are also varied. Results for air cavity detection are particularly interesting. The proposed procedure can be useful for near-surface probing applications.

Short-term scientific missions on forward and inverse electromagnetic-scattering techniques for ground penetrating radar

This work aims at offering an overview on the scientific results stemming from a selection of three Short-Term Scientific Missions (STSMs) carried out in 2016 and funded by the COST Action TU1208 "Civil Engineering Applications of Ground Penetrating Radar." The research activities focused on the development and use of electromagnetic modelling and inversion techniques for Ground Penetrating Radar applications. In a STSM, a scientist has the possibility to visit a colleague abroad, in order to undertake joint research and share experience, techniques, equipment and infrastructures that may not be available in the home institution. This is a powerful networking tool that allows developing linkages and scientific collaborations between institutions involved in a COST Action

Detection of subsurface metallic utilities by means of a SAP technique: Comparing MUSIC- and SVM-based approaches

The identification of buried cables, pipes, conduits, and other cylindrical utilities is a very important task in civil engineering. In the last years, several methods have been proposed in the literature for tackling this problem. Most commonly employed approaches are based on the use of Ground Penetrating Radars, i.e., they extract the needed information about the unknown scenario starting from the electromagnetic field collected by a set of antennas. In the present paper, a statistical method, based on the use of smart antenna techniques, is used for the localization of a single buried object. In particular, two efficient algorithms for the estimation of the directions of arrival of the electromagnetic waves scattered by the targets, namely the MUltiple SIgnal Classification and the Support Vector Regression, are considered and their performances are compared