طراحی الگوریتم کاربردی جهت استخراج پارامترهای هندسی اهداف استوانه‌ای ‏مدفون در روش رادار نفوذی به زمین ‏‎(gpr)‎

در پژوهش حاضر از روش ژئوفیزیکی رادار نفوذی به زمین (‏gpr‏) برای شناسایی پارامترهای هندسی اهداف استوانه ای مدفون و سرعت ‏سیر امواج الکترومغناطیسی در محیط، استفاده شده است. برای این منظور ابتدا مدلسازی پیشرو داده های ‏gpr‏ با استفاده از روش ‏تفاضل محدود دوبعدی حوزه زمان (‏fdtd‏) به کمک نرم‌افزارهای ‏gprmax، ‏reflexw‏ و ‏radexplorer‏ برای چندین مدل مصنوعی ‏متناظر با اهداف متداول در کاربردهای ژئوتکنیکی و تاسیسات زیرسطحی انجام شد. سپس به منظور استخراج پارامترهای فیزیکی و ‏هندسی اهداف استوانه ای مدل های مصنوعی، یک الگوریتم کاربردی در محیط نرم‌افزار ‏matlab‏ پیاده سازی شد که رفتار پاسخ ‏gpr‏ را در حوزه مکانی، مورد بررسی قرار می‌دهد. عملکرد این الگوریتم برای چندین مدل مصنوعی ازجمله استوانه افقی فلزی توخالی، ‏استوانه افقی توخالی از جنس پلاستیک پی وی سی و مدل شامل جفت استوانه افقی توخالی از جنس پلاستیک پی وی سی مورد ارزیابی ‏قرار گرفت که در تمام موارد دقت بسیار بالایی را در برآورد پارامترهای مدل نشان داد. الگوریتم مذکور برای استفاده در مورد تصاویر ‏واقعی ‏gpr‏ که آمیخته با مقدار زیادی از انواع نوفه می‌باشند، بهبود داده شد. در این الگوریتم ابتدا با به کارگیری الگوریتم آشکارکننده ‏متوالی اشیاء (‏cascade object detector‏) ناحیه مطلوب تعریف گردیده به گونه ای که نواحی تهی، حذف شده و الگوریتم بر روی ناحیه ‏محدود مطلوب، اجرا می شود. ازجمله قابلیت های الگوریتم پیشنهادی که براساس تعریف تصاویر مثبت و منفی آموزش می بیند، آن است ‏که می‌تواند بدون نیاز به اعمال مراحل پیش‌پردازشی، مراحل پردازشی پیشرفته را بر روی تصاویر واقعی ‏gpr‏ سرشار از نوفه، اعمال ‏نماید. عملکرد الگوریتم پیشنهادی برای نگاشت راداری واقعی ‏gpr‏ یکی از پروفیل‌های برداشت شده در میدان امام حسین (ع) روبروی ‏شهرداری شهر اصفهان، مورد ارزیابی قرار گرفت که در این مورد نیز نتیجه مطلوبی از برآورد پارامترهای هندسی و فیزیکی هدف ‏زیرسطحی حاصل شد.‏

Designing an Applied Algorithm to Extract Geometrical Parameters of Buried Cylindrical Targets in GroundPenetrating Radar (GPR) Method

Summary In the present research, GPR method has been used to identify geometrical parameters of buried cylindrical targets. To achieve this goal, first, forward modeling of GPR data has been carried out for several synthetic models corresponding to common targets in geotechnical and subsurface installations. Then, an applied algorithm on the basis of signal processing on a radargram (A Scan) with high accuracy was implemented in MATLAB environment. The performance of the algorithm was validated for several synthetic models so that led to the favorite results in all cases. The primitive algorithm was improved to employ for real GPR images having a large amount of various noises.   Introduction One of the most important tasks in engineering design is extraction of geometrical parameters of subsurface hidden objects. In this research, has been attempted to investigate the treatment of GPR responses in spatial domain using simulated response of various synthetic models by forward modeling. Then after extraction of relationships between existence mathematical models with GPR system response, geometrical parameters of buried cylindrical targets and physical parameters of host medium are identified through employing appropriate algorithms and image processing methods.   Methodology and Approaches An applied algorithm based on signal processing on a radargram (A Scan) was implemented in MATLAB environment which investigates the treatment of GPR response in spatial domain. The performance of the algorithm was validated for several synthetic models such as empty metallic and PVC horizontal cylinders and also the model including the couple of empty horizontal cylinders made by PVC. The algorithm was improved by applying Cascade Object Detector (COD) algorithm, interest of region is defined so that null regions are removed, implementing on the finite interested region. Then the algorithm is trained based on definition of positive and negative images. The performance of the proposed algorithm was evaluated for a real GPR radargram related to one of the profiles surveyed in ImamHossein square, opposite the municipality of Isfahan city so that also yielded a favorite result in this regard.   Results and Conclusions In order to evaluate the accuracy of curve fitting the hyperbolic equation on the data, statistical validation criterion wellknown as determination coefficient has been used. According to this criterion fitting accuracy of hyperbolic equation on the data for all synthetic models except the couple of horizontal cylinders is up to 93 percent. The algorithm has estimated the geometrical parameters of cylindrical targets with an error less than 8 percent. Also using the improved algorithm, determination coefficient of the fitted curve is 83.99 percent that is a favorite result. The algorithm could estimate radius, burial depth and horizontal location of the buried horizontal cylinder in the real GPR image with the errors of 7.6, 1.7 and 1.1 percent, respectively.