GPR signal processing for water detection

Abstract

Günümüzde yeraltı görüntüleme radarları (YAG) bir çok askeri ve sivil uygulamalarda kullanılmaktadır. Askeri alanda, mayın tespiti, sivil alanda ise arkeoloji çalışmaları, kazı yapmadan su sızıntısının bulunması, petrol veya yer altı su kaynaklarının bulma çalışmaları, YAG uygulamalarına örneklerindedir.YAG sistemlerinde akademik ve mühendislik çalışmalar iki ana alana ayrılır. Birincisi, sistemin fiziksel tasarımı. Burada en önemli çalışmalar anten tasarımı için yapılmaktadır. Tasarlana uygun bir anten, daha derinlerde aranan hedefin daha iyi çözünürlükle görüntülenmesini sağlayacaktır. Doğru frekans seçimi, bant genişliği ve kazanç tasarımı bu alandaki meydan okumalardandır. Bunun yansıra, anten yapısı radar sistemine monte edilmesi için, oldukça kompakt yapıya sahi olması gerekmektedir.YAG sistemlerinde ikinci akademik çalışma ise, işaret ve görüntü işlemedir. Radar sisteminden alanın bilgiden, hedef le ilgili tüm detayları görüntülemek, gürültü ve istenmeyen nesneler ve hedefler le ilgili bilgilerin minimize edilmesi gerekmektedir.Bu tez çalışmasında ise, arka plan (toprak veya hedefin gömülü olduğu herhangi bir zemin) etkisini azaltmak ve olası gürültüleri minimize ederek su tespitinin yapılması planlanmaktadır.Farklı toprak çeşitleri ve farklı alanlar; sadece toprak, engebeli toprak ve çimle kaplı toprak engebeli incelemeler yapılacaktır.Farklı sinyal işleme metotları uygulanıp sonuçları karşılaştırılacaktır.Anahtar Kelimeler: Günümüzde yeraltı görüntüleme radarları (YAG), ICA, PCA ,PICA.

Recently various developments have been introduced in GPR Signal Processing Technology. Multispectral sensors have been used for years and provide images with multi bands up to 10-20 bands. The information extracted from the multispectral images are useful and helped in many different applications in the real world.While signal processing is very important technique on the other hand its challenging.In underground water detection a lot of laboratory experiments were used to investigate the potential of ground penetration radar (GPR) efficient and accurate detection. GPR uses a high frequency electromagnetic wave reflection technique to obtain subsurface information.In this study we will review basic processing techniques to remove cluttering and comparing their performance like PCA, ICA, SVD, PICA and other filters including Median, Gaussian, Histogram, etc.In order to find the best method to process the raw data that is collected from different environments, we designed A box that was filled with sand with a sphere with radius 10 mm buried inside then water was injected inside the sphere after that our antenna scanned the surface approximately 56 times (5mm at a time ) B-scan is formed from these collected multiple A-scans.After collecting that data, we add to the box more roughness to the sand and grass on top sequentially and scanning the box each time the same way and getting different raw data to work with.Detailed simulation is presented analyzing SNR (Signal-to-Noise Ratio) and PSNR (Peak-Signal-to-Noise Ratio) Values for our obtained results is compared, interpreted and discussed in this Research.Keywords: GPR, Signal Processing, Clutter Removal, PCA, ICA, Filtering, Water Detection.