Detection of Underground Anomalies Using Analysis of Ground Penetrating Radar Attribute

Abstract

Need of specifying underground construction works for supporting further tasks as maintenance, repairing, or setting up new underground structures. For these needs, ground penetrating radar, one of the efficient geophysical methods, can bring high-resolution and quick underground image revealing existence of both natural and artificial anomalies. Its fixed receiver-transmitter antennas setting as constant offset is commonly used in urban areas. Conventionally, hyperbolae events are crucial indicator for scattering objects as kinds of pipes, water drainage system, and concrete building structures as well as sink holes. Calculation of their depths and sizes requires migration analysis with the environment velocity. Migrated sections with different velocity show different chaos degrees of transformation from a hyperbola diffraction curve to its focused area. We have researched diagrams of different Ground Penetrating Radar attributes as energy, entropy, and varimax dependent on two variables, velocity and window zone covering diffraction events from a set of synthetic data and real data, in specifying the environment velocity. We have developed a novel technique for evaluation of the ground velocity and object’s size by combination of the new varimax diagram and the Kirchhoff migration method. The technique can define contribution of diffracted ground penetrating radar waves for building the diagram after removing the reflection contribution. The synthetic datasets consist of different random background noise levels and expressions of different-sized circular and rectangular pipes. The real data is measured for detecting two underground gas pipes in Ba Ria – Vung Tau province, Vietnam.

Study of the wave scattering in geological environments for the propagation velocity estimation

“…Phương pháp radar xuyên đất (GPR) chủ yếu hỗ trợ việc tìm hiểu các tầng địa chất hoặc xây dựng bản đồ công trình ngầm ở độ sâu 1−10 m tùy vào tính chất của môi trường và tần số anten khảo sát [1][2][3][4][5] . Trong khi đó, phương pháp địa chấn phản xạ nông phân giải cao ứng dụng hiệu quả trong việc nghiên cứu các tầng địa chất nông ở các vùng biển, sông, đầm phá có độ sâu từ vài mét đến vài trăm mét [6][7][8][9][10] .…”

“…Đối với phương pháp GPR và địa chấn, yếu tố vận tốc đóng vai trò quan trọng trong tính toán độ sâu và kích thước dị vật ngầm thông qua các lát cắt dịch chuyển. Thông thường, các dị vật tán xạ có kích thước đường kính lớn sẽ gây sai lệch trong ước tính vận tốc nhiều hơn các dị vật kích thước nhỏ (bé hơn 10 cm đối với phương pháp GPR) 4 . Trong phương pháp địa chấn, mô hình địa chất có thể được biểu diễn chính xác nhờ vào kỹ thuật dịch chuyển dữ liệu theo miền độ sâu với thông tin chính xác của mô hình vận tốc đầu vào 13 .…”

“…Hồ Chí Minh, Việt Nam và ước tính vận tốc truyền sóng địa chấn trong lớp nước biển từ dữ liệu địa chấn nông phân giải cao cũng thông qua việc phân tích các thuộc tính năng lượng và Entropy của dữ liệu dịch chuyển. Kỹ thuật dùng để dịch chuyển dữ liệu GPR và địa chấn là phương pháp dịch chuyển Kirchhoff 4,13 .…”

“…Về cơ bản, phương pháp tính vận tốc địa chấn phản xạ theo kiểu truyền thống (CMP) không thể áp dụng cho các dữ liệu khoảng cách chung (khoảng cách thu nổ là hằng số). Cho nên, việc tính toán được vận tốc truyền sóng đối với dữ liệu khoảng cách chung này chỉ có thể thực hiện được nếu phát hiện ra các vị trí có hyperbol tán xạ điểm trong tuyến đo đạc Địa Vật lý 4,20 . Cách tiếp cận tính vận tốc môi trường là tập trung phân tích các lát cát dịch chuyển dựa trên hai tiêu chuẩn: (i) sự thay đổi dáng hình của đường hyperbol tán xạ sau dịch chuyển so với trước khi dịch chuyển và (ii) giá trị đại lượng vật lý (năng lượng và entropy) cho vùng không gian lân cận chứa đỉnh hyperbol tán xạ.…”

“…Trong trường hợp tán xạ của các dị vật kích thước lớn, sự hội tụ của hyperbol cũng dẫn đến các điểm nhỏ, chính điều này phản ánh sự sai lệch hình học của các dị vật này. Do đó, một giả thiết được thiết lập cho rằng: hình dạng phẳng nhất của tín hiệu pha sóng đầu tiên trong các cọng sóng, gần đỉnh của hyperbol, có thể đem đến sự ước lượng tốt nhất vận tốc khi mà các thông tin kích thước và độ sâu dị vật hoàn toàn không biết 4 . Hoặc là, tính giá trị entropy (độ hỗn loạn) của vùng không gian chỉ có chứa tín hiệu tán xạ (sau khi đã loại trừ khu vực chỉ chứa tín hiệu phản xạ xuất phát từ dị vật lớn) cũng sẽ đem đến ước tính hiệu quả cho kích thước dị vật và vận tốc môi trường trong lát cắt dịch chuyển 4 .…”