CUR - COBCivieltechnisch CentrumUitvoeringResearchenRegelgeving CUR CUR/COB Postbus 420 2800AKGouda...
48
Civieltechnisch Centrum Uitvoering Research en Regelgeving CUR CUR/COB Postbus 420 2800 AK Gouda Tel. 0182-540660 L 100-01 ONTWIKKELVERSIE 3D-GRONDRADAR WERKRAPPORT CUR/COB-uitvoeringscommissie L 100 "Ondiepe detectietechnieken: 3D-Grondradar" Centrum Ondergronds Bouwen COB
Transcript of CUR - COBCivieltechnisch CentrumUitvoeringResearchenRegelgeving CUR CUR/COB Postbus 420 2800AKGouda...
Civieltechnisch Centrum Uitvoering Research en Regelgeving CURCUR/COBPostbus 4202800 AK GoudaTel. 0182-540660
L 100-01ONTWIKKELVERSIE 3D-GRONDRADAR
WERKRAPPORTCUR/COB-uitvoeringscommissie L 100"Ondiepe detectietechnieken: 3D-Grondradar"
Centrum Ondergronds Bouwen COB
AuteursrechtenAlle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagenin een geautomatiseerd gegevensbestand of openbaar gemaakt, in enige vonn of op enigewijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieen, opnamen of op enig anderemanier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de CUR/COB.Het is toegestaan overeenkomstig artikel 15a Auteurswet 1912 gegevens uit deze uitgave teciteren in artikelen, scripties en boeken, mits de bron op duidelijke wijze wordt venneld,alsmede de aanduiding van de maker, indien deze in de bron voorkomt.
,,@Rapport L 100-
01 "Ontwikkelversie 3D-Grondradar", september 1997, CUR/COB, Gouda."
AansprakelijkheidDe CUR/COB en degenen die aan deze publicatie hebben meegewerkt, hebben een zo grootmogelijke zorgvuldigheid betracht bij het samenstellen van deze uitgave. Nochtans moet demogelijkheid niet worden uitgesloten dat er toch fouten en onvolledigheden in deze uitgavevoorkomen. leder gebruik van deze uitgave en gegevens daaruit is geheel voor eigen risicovan de gebruiker en de CUR/COB sluit, mede ten behoeve van al degenen die aan dezeuitgave hebben meegewerkt, iedere aansprakelijkheid uit voor schade die mocht voortvloeienuit het gebruik van deze uitgave en de daarin opgenomen gegevens, tenzij de schade mochtvoortvloeien uit opzet of grove schuld zijdens de CUR/COB en/of degenen die aan dezeuitgave hebben meegewerkt.
VOORWOORD
In 1992 verrichtte Grondmechanica Delft in opdracht van het Ministerie van EconomischeZaken een studie naar de mogelijkheden van het ontwikkelen van een nieuwe generatiegrondradar. Met het van start gaan van het Centrum voor Ondergronds Bouwen ontstond demogelijkheid de ontwikkelde ideeen ook daadwerkelijk in praktijk te brengen. Het voor uliggende rapport beschrijft de eerste stap van het ontwikkelingstraject dat in COB-kader isondemomen.
De samenstelling van de commissie ten tijde van het samenstellen van dit rapport was:
ir. J.A. de Ridder, voorzitterdr. J .K. van Deen, secretarisir. W.J. Droesenir. R. 't Harting. J.H.M. Lentfertdr. J.A.C. Meekesir. A.J .M. Sneldrs. P.P. van 't Veening. M.T.G. Sanders, coordinator COB
september 1997 Het bestuur van CURHet bestuur van COB
3
Hoofdstuk
Hoofdstuk
Hoofdstuk
Hoofdstuk
Hoofdstuk
Hoofdstuk
4
1
22.12.22.3
33.13.1.13.1.23.1.33.23.2.13.2.23.2.33.33.3.13.3.23.3.33.3.43.3.5
44.14.24.34.4
55.15.25.2.15.2.25.2.35.35.3.15.3.25.3.35.4
6
INHOUD
SAMENVATTING ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
INLEIDING .......................................
TESTLOCATIES EN APPARATUUR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9Vaanplein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 9DZH te Monster. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11Gastec te Apeldoom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 11
METINGEN"""""""""""""""""""
Vaanplein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Metingen aan kruisende pvc pijpenlsondeerstangen
"""""""
Metingen aan luchtgevulde pvc-pijpen"""""""""""
Bepalenvan de antennekarakteristieken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .DZH te Monster. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Vaste offset. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Vast middelpunt "'" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Simulatie 3d grondradar meting. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Gastec te Apeldoom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Meting over combisleuf
""""""""""""""'"
Meting over aIle leidingen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Metingen in een stervorm
""""""""'". . . . . . . . . . .
Metingen over gasbuis"""""""""""""'"
. . .Offset metingen over combisleuf
"""""""""""'"
ANALYSE VAN DE METINGEN .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Vaanplein
"""'" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .DZH te Monster. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Gastec te Apeldoom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Conclusies testmetingen
""""""""""""""'"
DATAPROCESSING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Algemenebeschrijving . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Metingen Monster. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Algemeen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Processing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Resultaten monster. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Metingen Apeldoom
"""""""""""""""'"Algemeen ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Processing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Resultaten apeldoom
"""""""""""""""'"Discussie en conclusies dataverwerking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
171717171718181818191919202020
2121232425
2727282829303333343547
59
6.16.1.16.1.26.1.36.2
Bijlage Al
Bijlage A2
Conclusies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Hardware. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Dataprocessing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Modellering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Aanbevelingen , . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
LITERATUUR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Herleidingstabel figuren en bestanden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Eindnoten; verwijzingen naar programma's. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5959606162
64
65
5
SAMENV ATTING
Het doel van de eerste fase (deelplan L 110) van het project L 100 is het vervaardigen vaneen ontwikkelversie van een 3D-Grondradar met behulp van bestaande apparatuur en (deels)te ontwikkelen dataprocessing-programmatuur. In het basisprojectplan was een tamelijkgedetailleerd uitgewerkt ontwerp voor het 3D-Grondradarsysteem gegeven. Lopende hetonderzoek is op basis van de verkregen resultaten dit ontwerp structureel veranderd enverbeterd.
Op drie verschillende testlocaties zijn metingen uitgevoerd: op een geprepareerde locatie metluchtgevulde pvc-leidingen in een zandbed; op het terrein van een waterleidingbedrijf meteen enkele watergevulde pvc-pijp; en op een proefterrein van Gastec met een groot aantalluchtgevulde pijpen in een tamelijke heterogene, maar wel zandige, ondergrond. Met nameop de twee laatste locaties is een zeer uitgebreide dataset opgenomen waarbij de meetraaienveelal onder een scheve hoek met de leidingen lagen.
Er zijn verschillende wijzen van dataprocessing toegepast. In lijn met de oorspronkelijkegedachte van het 3D-Grondradarsysteem met eencentrale zendantenne en circa 8 perifereontvangantennes is de seismische techniek van pre-stack common-shot migratie toegepast.Deze gaf onbevredigende resultaten, voornamelijk als gevolg van de relatief beperkteantenne-offset. Een altematieve aanpak was het automatisch detecteren van reflecties in deenkele ontvangsignalen en deze vervolgen door de opvolgende metingen. Op de data van hetwaterleidingterrein die gekenmerkt werden door een zeer hoge signaal-ruisverhouding bleekdit een succesvolle aanpak. Bij de meer realistische sitautie bij Gastec was een andereaanpak noodzakelijk waarbij de typische pijpreflecties herkend werden door de volledigeraaien als een geheel te analyseren met behulp van een tijd-migratie procedure.
De belangrijkste conclusies zijn dat:
- het oorspronkelijke ontwerp moet worden aangepast van een common-shot naar eencommon-offset principe;
- de afgeschermde PulseEkko antennes (450 en 225 MHz) geschikt zijn voor toepassing ;- de ontwikkelde dataprocessingmethodiek voor de Gastec data met enige aanvulling
geschikt is voor toepassing;
- een handrnatige inbreng in de dataverwerking vooralsnog noodzakelijk is om de analyse-rekentijden acceptabel te houden;
- er onvoldoende inzicht is in het ontstaan van de reflectiepatronen, zowel van goed-gedefinieerde objecten als leidingen, alsook van andere structuren in de ondergrond, en inhet bijzonder van de heterogeniteiten die aanleiding geven tot clutter in de registraties.
Aanbevolen wordt:
- over te gaan tot het bouwen van een prototypesysteem 3D-Grondradar;- daarbij in het bijzonder aandacht te besteden aan de elektromagnetische koppeling van de
antennes met de grond;verdere aandacht te besteden aan de signaalvorming van pijpen en andere objecten, alsmedevan het ontstaan van clutter in de registraties.
6
HOOFDSTUK 1
INLEIDING
Op het werkterrein van de aanleg van de kleine ondergrondse infrastructuur van transportlei-dingen en kabels bestaat een grote behoefte aan een inzichtelijk driedimensionaal beeld vanwat zich in de ondergrond bevindt. Vooral bij de toepassing van sleufloze technieken is hetvooraf beschikken over informatie van groot belang. Deze informatie is in principe metbehulp van de niet-destructieve oppervlaktetechniek grondradar te verkrijgen. De gangbaregrondradarapparatuur is echter niet in staat een driedimensionaal (3D- )beeld van de onder-grond te leveren tenzij een omslachtige meetprocedure en arbeidsintensieve gegevensbewer-king door hooggekwalificeerd personeel worden uitgevoerd. Het basisprobleem is dat dehuidige apparatuur inherent niet gericht is op het inwinnen van 3D-gegevens. Een wezenlijkeverbetering van de prestaties van de huidige generatie grondradarapparatuur is derhalvenodig en, op basis van een door het Ministerie van Economische Zaken en GrondmechanicaDelft gefinancierde haalbaarheidsstudie in 1990/92 [1], ook mogelijk. Het in deze haalbaar-heidsstudie omschreven apparaat is de zogenoemde 3D-Grondradar
Het doel van het COB deelprojectplan L 110 [2] is het aantonen van de functionaliteit en depraktische toepasbaarheid van de te ontwikkelen 3D-Grondradar voor het in kaart brengenvan de kleine ondergrondse infrastructuur. Met de voorgestelde 3D-Grondradar wordt in eenslag een 3D-atbeelding gemaakt van een moot grond onder de meetraai van circa 2 meterbreed en, athankelijk van de grondslag, 1 a 2 meter diep, bij een resolutie van enige decime-ters. Het aantonen van de functionaliteit van de 3D-Grondradar geschiedt op basis van eensamenstelling van op dit moment commercieel verkrijgbare hardwarecomponenten en enigete ontwikkelen software voor on-line 2D-atbeelding. Op basis van de resultaten van ditdeelplan wordt in het volgende deelproject L 120 de operationeel inzetbare Prototype 3D-Grondradar vervaardigd.
Als belangrijkste tekortkoming van de huidige generatie grondradarsystemen werd in dehaalbaarheidsstudie het ontbreken van richtingsinformatie geldentificeerd. Om te komen toteen systeem dat een direct inzichtelijke, ruimtelijke atbeelding van de ondergrond maakt ishet wezenlijk de beschikking te hebben over een ontvangantenne-array in plaats van eenenkelvoudige antenne, die on-line focussering in een vlak loodrecht op de looprichting,alsmede off-line focussering voor de volledige 3D-atbeelding mogelijk maakt. Fysiek werdgedacht aan een constructie met meerdere (circa acht) ontvangantennes in een lineaire array,met in het centrum een zendantenne. Deze hele constructie zou dan, loodrecht op de lengte-as van het array, over het maaiveld voortbewogen worden langs het pad waaronder deondergrondinformatie ingewonnen zou moeten worden.
Om de functionaliteit van het 3D-Grondradar-idee aan te tonen wordt in dit deelproject openkele goed gedocumenteerde testlocaties een hoeveelheid data ingewonnen die karakteristiekis voor de data van een meerkanaalsgrondradarsysteem, en die gebruikt kan worden ombestaande (seismische of andere) processingstechnieken te testen en verder te ontwikkelenvoor dit specifieke doel. In eerste instantie is daarbij ook een fysiek array (gemonteerd ineen 'antennebak') toegepast zoals beschreven in het deelplan L 110. In de loop van hetproject bleek dit niet goed uitvoerbaar en is in overleg met de commissie besloten het
7
uitvoeringsprogramma aan de gewijzigde inzichten aan te passen teneinde de doelstellingenvan L 110 te bereiken. Daartoe zijn de array metingen gesinmleerd met een hoeveelheidenkelkanaalsmetingen.
De uitvoering van de metingen is in handen geweest van Grondmechanica Delft, NITG- TNOen TUD, Afdeling Mijnbouwkunde. De dataprocessing is uitgevoerd door TNO-TPD(ontwikkeling beeldbewerking) en NITG-TNO (toepassing bestaande seismische programma-tuur).
8
HOOFDSTUK 2
TESTLOCATIES EN APPARATUUR
2.1 Vaanplein
Om een eenvoudige 3D-situatie na te bootsen zijn twee kruisende leidingen gekozen alstestobject voor het systeem van 3D-Grondradar. In overleg met de aannemer BosKalisOosterwijk en Rijkswaterstaat kon gebruik gemaakt worden van het zandlichaam van een inaanleg zijnde afrit van een fly-over van de Ridderster (deel uitmakend van het Vaanplein-Ridderster-trace, zie fig. 1). Op dit zandlichaam is een testopstelling gebouwd, en zijn demetingen met een experimentele grondradar-opstelling uitgevoerd.
verplaatsbaar
I'vast
... ... A ...
I o.?_g:~_o~~:~ \ \ ~
, uitgegraven I
vast
antennebak.(rechts)
. ,,\linkS)
rails
'""
pvc 1\\\\\\IIIIIIIIIIIIIJJII: pvc 2
I
. ,. . ... I .. II
I/
".";'
:z----
CPT stanglier
Fig.I. Situatie Ridderster-Vaanplein.
In het zandlichaam is een kuil gegravenlgespit van ongeveer 0,8 - 1 m diep teneinde tot dezediepte onder het maaiveld een min of meer homogeen, losgestort zandpakket te verkrijgen.Hierboven is vervolgens een terp van circa 1 meter hoogte aangebracht, waarin twee
9
kruisende leidingen als prototype van een '3D-situatie' zijn ingebracht. De afmetingen vande terp zijn zodanig dat bovenop een meetgebied ontstaat van 6 bij 10 meter. Dit wordtbemeten langs in principe een raai die de lange as van de rechthoek vormt. Het antenne-array heeft zijn array-as loodrecht daarop (bijlage AI).
In het meetgebied liggen twee kruisende pvc-Ieidingen (pvc 100), 0 90 rom, wanddikte4 rom, op een diepte van ongeveer 0,8 meter, beide onder een hoek van 45° met de lengte-as. De bovenste van de twee maakt bovendien een hoek met de horizontaal van ongeveer1:20. Het kruispunt ligt ongeveer een halve meter ten noorden van de centrale as van hetmeetgebied. Tenslotte is een 4 m lange sondeerstang horizontaal weggedrukt in de terp(vanaf de zijk1ant) op circa 0,7 m onder het oppervlak voor een aantal experimenten gerichtop het vastleggen van de karakteristieken van de antennes in de hier bestaande situatie.
De hier toegepaste experimentele opstelling bestaat uit een zend- en vier ontvangantennes; inde basisconfiguratie vormen deze een lineaire array waarmee 2D-data-acquisitie kan wordengedaan. Dit apparaat is 'de helft' van het uiteindelijk gedachte apparaat met vier (ontvang)-antennes links en vier rechts. De vier antennes zijn ingebouwd in een frame (zie fig. 2) datop vier wielen over multiplex 'rijplaten' rijdt. Een regelmatige voortgang wordt bereikt doorhet frame met behulp van een lier voort te trekken.
sleepkabel
riiwiel
i
D II , cr53-
69
0 255
41242 B
loopwiel
(afstandsregistratie)
0
~
~5
!aile maten h.o.h.
Fig.2. Configuratie Ridderster-Vaanplein.
10
De antennes kunnen ten opzichte van elkaar in de bak verschoven worden. Ondanks defysieke afmetingen van de antennes zijn op deze wijze offsets van 40, 60,
"180 cm te
realiseren. Om de effecten van werkelijke 3D-acquisitie experimenteel te kunnen bepalenbestaat de mogelijkheid de zendantenne ten opzichte van de ontvangarray over circa 0,5meter naar voor en naar achter te schuiven. Tenslotte is het mogelijk de zender op andereplaatsen in het array op te nemen. Hierbij verkrijgt men aanvullende informatie doordat nogandere propagatiepaden door de ondergrond worden afgelegd.
De metingen zijn uitgevoerd met GSSI 300 MHz antennes type 3205/006 van Grondmecha-nica Delft, van TNO-TPD-TUD en van Bernhardt Consult BV te Drachten. Voor degegevens-inwinning wordt gebruik gemaakt van een GSSI SIR-I0 systeem met 4 signaalin-gangen, eveneens gehuurd van Bernhardt Consult.
2.2 DZH te Monster
De metingen op de eerste testlocatie leverden kwalitatief slechte data. Het doel van detweede serie metingen was vooral het genereren van een dataset om een procedure voordataverwerking te ontwikkelen. Er is daarom gezocht naar een eenvoudige, maar welrealistische testlocatie. Dexe werd gevonden op het terrein van het DuinwaterleidingbedrijfZuid Holland (DZH) te Monster.
Het meetgebied bevindt zich in de duinen tussen de putten 300 en 301 op het terrein vanDZH (zie fig. 3). De grond is bedekt met pollen helmgras en kort gras. Het maaiveld isvlak, met op sommige plaatsen een variatie in de hoogte van circa 0,1 m. In de zandigeondergrond is een met water gevulde PVC-Ieiding aanwezig met een diameter van 150 nun.De leiding ligt volgens opgave van DZH in een met zand gevulde sleuf met een breedte vanongeveer 0,75 m. De leiding ligt horizontaal op de bodem van de sleuf op een diepte vanongeveer 1,25 m in NO-ZW richting. De grondwaterspiegelligt ruim onder de bodem vande sleuf.
Op basis van enkele verkennende grondradarmetingen is de waterleiding exact gelokaliseerd.Het meetgebied is daar vervolgens zodanig overheen gelegd dat de leiding onder dediagonaal van het meetgebied is gelegen.
De metingen zijn uitgevoerd met de PulseEkko grondradarapparatuur van NITG- TNO (ziefig. 4). De gescheiden zend- en ontvangantenne hebben een nominale frequentie van 200MHz. Voor de gegevensinwinning wordt gebruik gemaakt van een PulseEkko PEIOO.Metingen worden opgeslagen op een draagbare computer, die aangesloten is op dePulseEkko PElOO. Voor voeding van de apparatuur wordt gebruik gemaakt van eenautoaccu.
2.3 Gastec te Apeldoom
De situatie in Monster is in vergelijking met de praktijksituatie in stedelijke gebieden en opfabrieksterreinen om twee redenen te eenvoudig: in de binnenstad liggen pijpen zeldenalleen, en de grond is veel minder homogeen dan het duinzand in Monster. In stedelijke enindustriele omgeving is de grond altijd sterk verstoord en bevat a1lerlei voorwerpen alsfunderingsresten en opgevulde sleuven. Voor een derde serie testmetingen is daarom gezochtnaar een meer realistische, maar wel goed gedocumenteerde situatie.
11
(;::;\\;V
(;::;\\:::Y
~
ZEE
raai B
fOOi6\
10m
fOOi \PAD
raai A
3.5m
4.7mPVC leidingwater gevuld ~ 150mm
II
3m Romeins dijkje
Fig.3. Situatie DZH Monster.
Het meetgebied bevindt zich op het terrein van Gastec te Apeldoom (zie fig. 5). Hier is eenproefveld aangelegd met als doel de vervormingseigenschappen van verschillende typenkunststof buis te onderzoeken. De ondergrond is zandig. Het maaiveld is vlak, met opsommige plaatsen een variatie in de hoogte van circa 0,1 m.
12
III
E I ENIN0:0
IIHI
231I
TRACEmeetlijn 1H ... f
IIIII
I
I
I2m
IIIII .II .II ............1 .1 .1I .II .III
I
1
1
I
:8
II
rTI
meetlijn I Ir, I1 I 1
I I
I I
~..L: I I
ILJ I
.: I1
2mI~IENI
a. I
°1 I
III1,..., I
I I I
:~I I I~..J I
I
~E
Na
meetlijn
I
""y n :
BI I I
I,LIU :I
H--i---1E E E
N N000
2m
lange zijde van het meetgebied
7O.114m #,~ Puis Ekko 200 MHZ
O.016m FEO.46m
Fig.4. Configuratie DZH Monster.
..........
..........
..........
..........
..........
..........
..........
..........
..........
..........
..........
..........
..........
..........
..........
..........
..........
..........
TRACE 22 t/m 41
TRACE 1 t/m 21
In de ondergrond van het proefveld liggen parallel aan elkaar 21 kunststof (pvc/pe/po) lei-dingen (zie fig. 6). De onderlinge afstand is 3 a 4 meter. Bij aanleg van het proefveld ispuin, dat in het verleden is gestort, verwijderd.
13
1~4m .1
onzorgvuldigoongelegd
zorgvuldigaangelegd
, 4m. I
!Fig.5. Situatie Gastec Apeldoom.
12 m
Parkeerterreln
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
00
L£GENDA
-1 leiding~r1 raoi
0 detail (zie biJ.A2)Er beVinden zich twee ZOgeDaarndecombisleuven in he! proefveld, elk met 4 leidingendie
trapsgewijs in oen sleu[geplaatst zijn. De leidingen
hebben een lengtevan 20 meter,
waatvan 10 meter'ZOrgvuIdig'en 10 meter
'onzorgvuIdig' is 3aI1gelegd;in het 'ZOrgvuIdige'14
deel is de sleuf na het aanbrengen van de buis laagsgewijs aangevuld en is er tussentijdsverdicht, in het 'onzorgvuldige' deel is de sleuf zonder meer gevuld.
Om voor de radarexperimenten tenminste een sterke reflector te verkrijgen is een van deleidingen met water gevuld. Ter vergelijking is er tevens over een stalen leiding gemeten dienaast het proefveld in het terrein ligt. De grondwaterspiegel ligt ruim onder het maaiveldvan het onderzoeksgebied (circa MY - 15 m).
onzorgvuldig
oongelegd
zorgvuldig
oongelegd
19.2 9.3 9.49
~M8.18.2
8
DETAIL 1
.. 4m ~
stolen leiding
r31
r33r1
DETAIL 2r41
.. 8m ~
DETAIL 3
Fig.6. Detail overzicht Gastec Apeldoom.
15
Systeem frequentie frequentie in bijzonderheden eigenaarnominaal grond (schatting)
(MHz) (MHz)
PulseEkko 225 225 afscherming TV Delft, Mijn-bouw
PulseEkko 450 450 afscherming TV-Delft, Mijn-bouw
PulseEkko 200 100 geen afscher- TNO-NITGming
GSSI 300 180 afscherming GrondmechanicaDelft
Pipehawk ? 150 - EMRAD
De metingen zijn uitgevoerd met vijf verschillende grondradarsystemen. In tabel 1 zijn desystemen gekarakteriseerd.
Tabel 1. Grondradarsystemen ingezet bij Gastec te Apeldoom.
16
HOOFDSTUK 3
METINGEN
3.1 Vaanplein
In de week van 10 juni 1996 is op een in aanleg zijnde afrit nabij de Ridderster (deeluitmakend van het Vaanplein-Ridderster-trace) de in 2.1 beschreven testopstelling gebouwd.In dezelfde week zijn de metingen met de experimentele grondradar-opstelling uitgevoerd.
De metingen vallen uiteen in drie gedeelten:
- metingen aan kruisende pvc pijpenlsondeerstangen;- meting aan luchtgevuldepijpen;- bepalen van de antennekarakteristieken.
3.1.1 Metingen aan kruisendepvc pijpen/sondeerstangenDe metingen bestaan uit een groot aantal raaien met de antennes in de antennebak, waarbijin beide pvc-pijpen een 0 36 mm sondeerstang is geschoven. Bij de metingen zijn verschil-lende configuraties beproefd, waarbij de zender op meerdere posities tussen de ontvangers isgepositioneerd. De totale raailengte is circa 6 meter. De antennebak wordt met behulp vaneen lier met een regelmatige snelheid van ongeveer 0,1 mls langs de raai getrokken. Debedoeling was om na enige inleidende testmetingen de versterkerinstellingen (versterking,tijdvertraging) onveranderd te laten. Tijdens de metingen ontstond echter herhaaldelijkonzekerheid of het juiste signaal wel werd opgenomen; daarom zijn de instellingenmeermalen gewijzigd.
3.1.2 Metingen aan luchtgevuldepvc-pijpenUit enkele inleidende metingen bleek dat de reflectiesterkte van de 'lege' pvc pijpen erggering was; om die reden is de hoofdmoot van de metingen uitgevoer met ingeschovensondeerstangen. Ais vergelijkingsmateriaal zijn echter wel enige metingen uitgevoerd nadatde sondeerstangen verwijderd zijn; derhalve aan 0 90 mm luchtgevulde pvc-pijpen. Dezemeting en zijn vooral in vergelijking met en als complement op de situatie 'wel sondeer-stang' .
3.1. 3 Bepalen van de antennekarakteristiekenam de antennekarakteristieken te bepalen zijn een aantal experimenten uitgevoerd over devan de zijkant ingeschoven enkele horizontale sondeerstang:
- De antenne is in verschillende orientaties ten opzichte van de sondeerstang dwars over desondeerstang getrokken (orientaties 0°, 30°, 60° en 90°).
- De verandering van de pulsvorm als functie van de afstand van de antenne tot de grond isgeregistreerd. Hierbij is de antenne opgetild en telkens op een vaste hoogte even stilge-houden .
- De wisselwerking tussen verschillende antennes is bepaald door de overdracht (directepuIs) te meten van de zender naar de ontvanger, terwijl de ontvanger geleidelijk van dezender wordt weggetrokken.
17
3.2 DZH te Monster
Op 20, 22 en 24 januari 1997 zijn op het terrein van de waterleidingmaatschappij DZH, aande Haagweg 80 te Monster metingen uitgevoerd. Het meetgebied bevond zich tussen deputten 300 en 301. Er zijn geen speciale voorbereidingen getroffen met betrekking tot depreparatie van de testlocatie anders dan het zodanig uitzetten dat de waterleiding diagonaalonder het meetgebied liep.Er zijn drie experimenten uitgevoerd:
- metingen met vaste offset;
- metingen met vast middelpunt;- metingen met variabele offset: simulatie 3D grondaradar.
3.2.1 Vaste offsetDe ligging van de leiding is globaal aangegeven door medewerkers van DZH. am de leidingexact te lokaliseren zijn twee meetraaien ongeveer loodrecht op de leiding bemeten. Deonderlinge afstand bedraagt circa 10 m waarbij de afstand tussen zender en ontvanger vast is(0,5 m). Ter plaatse zijn de meting en geinterpreteerd. In de metingen is de leiding duidelijkte herkennen. De top van de hyperbool, die de positie van de leiding representeert, is opbeide raaien goed zichtbaar. Hierdoor kon het meetgebied van 2 x 6 meter voor hetuitvoeren van de 3D grondradarsimulatie met piketten vastgelegd worden. Het meetgebied iszodanig georienteerd dat de leiding diagonaal over het gebied ligt.
3.2.2 Vast middelpuntam een indruk te krijgen van de overspraak tussen zender en ontvanger, het verloop van dedirecte golven door lucht en grond en de richtingskarakteristiek van de antennes zijnmeting en met de leiding als een vast middelpunt en variabele afstand tussen zender enontvanger uitgevoerd. Er zijn vier raaien uitgevoerd, waarbij per raai de antennepositiestelkens 30° verder gedraaid worden ten opzichte van de voorgaande raai. De hoofdassen vande zender en ontvanger blijven evenwijdig aan elkaar.
3.2.3 Simulatie 3d grondradar metingHet derde experiment betreft de simulatie van de 3D grondradar meting. Het totale meetge-bied beslaat een veld van 2 x 6 m. In de lengterichting worden 61 raaien gemeten op eenonderlinge afstand van 0,1 m. Elke raai heeft een lengte van 2 m.
Per raai wordt een meetcyclus uitgevoerd, waarbij de ontvanger telkens 0,1 m opschuift tenopzichte van de zender. Nadat de ontvanger aan het einde van de raai is gekomen wordt dezender 0,1 m verplaatst in de richting van de ontvanger en wordt de procedure herhaald. Ditgaat door tot zender en ontvanger beide aan het eind van de raai zijn aangekomen. Inverband met de eigenschappen van de antennes dient de minimale afstand van zender enontvanger 0,4 m te bedragen.Het meetgebied is zo gekozen dat de leiding diagonaal in het meetgebied ligt. De hoektussen de leiding en de meetraaien bedraagt circa 70°.Het meetapparaat bestaat uit een zend- en een ontvangantenne. Door bovenstaande meetcycliuit te voeren ontstaat een lineaire array van een zender met maximaal 21 ontvangers perraai.De reciproke metingen, waarbij zender en ontvanger positieachterwege gelaten. Ervaringen opgedaan met de metingen op
worden omgedraaid, zijnhet Vaanplein, waarbij is
18
gebleken dat reciproke metingen een volledig vergelijkbaar beeld geven [6] en de uitgebreid-heid van het huidige meetprogramma (ruim 14000 meetpunten), liggen hieraan tengrondslag.
3.3 Gastec te Apeldoom
Op 27 maart, 23 april en 20 juni 1997 zijn op het terrein van Gastec, aan de Wilmershof 50te Apeldoom met vijf verschillende antennes grondradarmetingen uitgevoerd.
In totaal zijn vijf verschillende experimenten uitgevoerd, elk met een eigen doelstelling:
1. Elf parallelle raaien schuin over een cluster van vier leidingen (combisleuf) met als doelhet genereren van een zo volledig mogelijke dataset voor het ontwikkelen van 3D-data-processing programmatuur (raai 11 t/m 21).
2. Twee raaien loodrecht over alle leidingen om een vergelijking van verschillende reflecto-ren en antennes, alsmede de invloed van de grondslag te kunnen kwantificeren (raai 1 en2). Op 20 juni is nog een derde raai nabij raai 2 uitgevoerd (raai 3).
3. Vier korte raaien onder verschillende hoeken over een watergevulde pvc-Ieiding om heteffect van polarisatie te kunnen vastleggen (raai 31 t/m 33).
4. Raai over stalen gasbuis om reflectiesterkte te vergelijken met pvc-buis (raai 41/42).5. Datasets met verschillende offsets: 0,40; 0,60; 0,80; en 1,00 m om het effect van multi-
offset data-inwinning te beoordelen (raai-indicatie als onder 1, met aanduiding 'r', 's','1', 'u' voor de respectievelijke offsets).
De experimenten 1 tot en met 4 zijn met vijf verschillende antennesystemen uitgevoerd (zietabel 1) in maart en april. Experiment 5 op 20 juni is alleen met de PulseEkko 225 MHzuitgevoerd. Alle metingen zijn uitgevoerd met een meetdichtheid van tenminste 10 metingenper meter.
3.3.1 Meting over combisleufTen behoeve van een dataset voor beeldverwerking zijn metingen uitgevoerd ter hoogte vaneen combisleuf met trapsgewijs vier leidingen op verschillende diepten. Er zijn elf raaienmet een lengte van 5 meter en een onderlinge afstand van 0,2 m bemeten. De raaien liggenonder een hoek van circa 60° met de vier leidingen. Het gebied ligt op de grens vanzorgvuldig en onzorgvuldig aangelegde leidingen, midden in het proefveld. De metingen zijnuitgevoerd als constant-offset-metingen, dat wil zeggen dat de afstand tussen zend- enontvangantenne constant is en de antennes gezamenlijk als een geheellangs de raai getrokkenworden. De offsets van de systemen zijn iets verschillend. Bij de GSSI 300 MHz bedraagtdeze 0,4 m; bij de PulseEkko 450 MHz is 0,25 m en bij de andere PulseEkko antennes is0,5 m aangehouden. Bij de Pipehawk is de offset nul omdat zend- en ontvangantenne fysieksamenvallen.
3.3.2 Meting over aIle leidingenTen behoeve van een vergelijking van reflectiesterkten, antennetypen en grondslag zijnmetingen uitgevoerd over alle leidingen in het proefveld, met raaien loodrecht op de leidin-gen. Hierbij zijn twee raaien gelopen met elk een lengte van circa 52 meter en eenonderlinge afstand van 12 meter. Een raai ligt in het zorgvuldig aangelegde veld (raai 1),een raai in het onzorgvuldig aangelegde veld (raai 2). Bij experiment 5 met de PulseEkko225 MHz is een derde raai uitgevoerd nabij raai 2, evenwel 2 meter verschoven naar het
19
midden van het proefveld omdat de indruk bestond dat een aantal van de waargenomenreflecties in experiment 2 afkomstig was van randeffecten van de omhoog komende buizenaan de zijkant van het proefveld. Ook deze metingen zijn als constant-offsetmetinguitgevoerd.
3.3.3 Metingen in een stervormTen behoeve van de bepaling van polarisatie-effecten zijn over een met water gevulde leidingvier raaien met een lengte van circa 3 meter in een stervormig net uitgezet. Hierbij haddende raaien een hoek van respectievelijk 0°, 30°, 60° en 90° met de leiding. Ook dezemetingen zijn als constant-offsetmeting uitgevoerd.
3.3.4 Metingen over gasbuisOver een naast het eigenlijke proefveld gelegen, stalen gasbuis is met alle systemen een raaiuitgevoerd dwars over de buis. Ook deze metingen zijn als constant-offsetmeting uitgevoerd.
3.3.5 Offset meting en over combisleufVoor het bestuderen van het effect van multi-offset, waarmee een toekomstig 3D-Grondra-darsysteem zou kunnen worden uitgerust, is een uitgebreide meting met verschillende offsetsuitgevoerd. De gedachte was dat door te meten met verschillende offsets een gunstigerverhouding zou ontstaan tussen de signaalamplitude van de pijpleiding ('signaaI') en van deheterogeniteiten in de ondergrond ('clutter'). In totaal is met vier verschillende afstandentussen zender en ontvanger (offsets 0,4 0,6 0,8 en 1,0 m) gemeten. De opzet van het tebemeten gebied is gelijk aan die van de metingen over de combisleuf zoals beschreven in3.3.1. Er is steeds een serie metingen uitgevoerd met een constante offset. Na afloop van deserie wordt een nieuwe offset ingesteld en de volgende serie uitgevoerd.
Om deze arbeidsintensieve metingen op een meetdag uit te kunnen voeren diende vooraf demeest geschikte antenne gekozen te worden. Op basis van de vier eerste experimenten isdaartoe de afgeschermde PulseEkko 225 MHz antenne als meest geschikte geselecteerd.Deze antenne leek de beste resultaten te leveren met betrekking tot het detecteren van deleidingen. Tevens vertoonde de data van deze experimenten voldoende clutter om eeneventuele verbetering in de signaallclutter-verhouding zichtbaar te maken. Dit systeem isderhalve ingezet voor het uitvoeren van de offset meting en.
20
HOOFDSTUK 4
ANALYSE VAN DE METINGEN
4.1 Vaanplein
Bij beschouwing van de metingen blijkt door alle opnames heen een constant signaalaanwezig te zijn dat min of meer onathankelijk is van de positie, dus onathankelijk van water onder-of bovengronds in de omgeving aanwezig is.De oorzaak van het grote achtergrondsignaal is niet geheel duidelijk, maar heeft te makenmet de constructie van de antenne. Bij antennes van het fabrikaat GSSI (zoals hier gebruikt)is het een veel voorkomend fenomeen, bij antennes van de finna PulseEkko treedt het nietaltijd op. Een belangrijke factor is de aanwezigheid van een afscherming om de antenne.Vergelijkend onderzoek aan Pulsekko antennes met en zonder afscherming bevestigt dit [7].Bij werken in de bebouwde omgeving is een dergelijke afscherming onontbeerlijk, daar dezeverhindert dat veel zendenergie de lucht ingaat en daar echo's genereert aan bomen,lantaarnpalen, auto's, gebouwen en andere bovengrondse constructies.
Zoals opgemerkt komt het achtergrondsignaal vaak voor bij GSSI antennes. De mate waarinhet effect optreedt hangt mede af van de ondergrondcondities, maar hoe precies is onbekend.In de startfase van dit project [1] is de gevoeligheid van het zendantennegedrag voor deondergrond- c.q. maaiveld-condities ook als een van de kritieke punten ge'identificeerd, maarbinnen het lopende L 110 onderzoek is dit geen onderwerp van studie. Dat neemt niet wegdat ook nu, als eerste conc1usie uit deze verkennende meting en, blijkt dat de kwaliteit van deantennes kritisch is en dat voor het bouwen van het definitieve 3D-systeem een naderebeschouwing van antennes toch belangrijk zal zijn. Naast de ideeen die daarover in 1992geformuleerd zijn geldt dat er inmiddels ook extern ontwikkelingen zijn geweest diemogelijk kunnen worden ingepast, zoals pipelocators op radarbasis van Mitsui (J), Georadar(USA) en Emrad (UK). Ook aan de TU Delft wordt op dit moment gewerkt aan een nieuwantenneontwerp (groep van Prof. Ligthart, Faculteit Elektrotechniek).
In de metingen is het achtergrondsignaal verwijderd door alle metingen langs een raai (vaneenzelfde antenne) te middelen en het gemiddelde af te trekken. In de onderhavige situatiewas de amplitude van het achtergrondsignaal van dezelfde orde van grootte als het overblij-vende signaal. Omdat de ontstaanswijze van het (relatief grote) achtergrondsignaal nietvolledig duidelijk is, is het middelen en aftrekken een enigszins riskante bezigheid. Naastvoorwerpen en lokale heterogeniteiten, worden immers ook veranderingen in hetachtergrond-signaal (door iets varierende condities in of aan het maaiveld, of door ietsvarierende hoogte van de antenne boven het maaiveld) versterkt weergegeven. In de praktijkblijkt het signaal beter interpreteerbaar na de aftrekprocedure, maar bedacht moet wordendat niet alle fenomenen die daar naar voren komen ook reele objecten of heterogeniteitenhoeven te zijn.Uit de analyse van de metingen is gebleken dat de onderlinge afstand van de ontvanganten-nes beperkt moet zijn. Een onderlinge afstand van 0,4 m blijkt te groot om coherentie tussende opvolgende antennes te handhaven; een reflector is vaak niet te vervolgen. Bij deonderhavige onderzoekopzet is gebruik gemaakt van antennes van nominaal 300 MHz. Metde antenne op het maaiveld hebben deze antennes in de praktijk een hoofdfrequentie bijongeveer 200 MHz. Bij e = 4 betekent dat een golflengte }.. = 0,75 m. Dat betekent dus dat
21
een halve golflengte afstand al te veel is voor de onderlinge posities. De conc1usie daaruit isdat ofwel de fysieke afmeting van de antennes beperkt moet worden, ofwel de antennesfysiek in het array heen en weer moeten kunnen schuiven om voldoende waamemingspuntente genereren.
Naast de aanwezigheid van het achtergrondsignaal werd de interpretatie van de metingbemoeilijkt door een softwareprobleem dat pas na de metingen manifest werd. Gedurende demetingen zijn de versterkingsfactoren van het signaal (dat variabel is met de diepte om ookzwakke signalen van verder weg nog goed te kunnen weergeven) alsmede de vertragingstij-den steeds zo ingesteld dat op de monitor een optimaal beeld ontstond. Dit is gedaan in deverwachting dat de bijbehorende getalwaarden zouden worden vastgelegd in de meetfile.Achteraf bleek door een storing in de software deze informatie niet te zijn opgeslagen. Tengevolge hiervan zijn opvolgende metingen niet kwantitatief met elkaar te vergelijken, nochin amplitude, noch in tijdligging. Vit duplometingen die gedurende het meetprogramma zijnuitgevoerd blijken met name in de tijdregistratie aanzienlijke instelverschillen (5 - 20 ns)voor te komen. De metingen zijn daarom alleen kwalitatief geanalyseerd.Dieptes, of meer in het algemeen: afstanden, worden bepaald door de gemeten (radar)echo-tijden om te rekenen in afstanden. Wezenlijk daarvoor is te weten op welk moment dezendpuls vertrekt, maar het bepalen van dat moment is niet zonder problemen. In recentepublicaties (bijv. op de grondradarconferentie GPR'96 in Sendai, Japan [3]) is dit eentelkens terugkerend probleem.
Conceptueel verloopt bij de techniek reflectieseismiek, te beschouwen als de akoestischevariant van grondradar, de meting geheel analoog. Met deze techniek is de afgelopendecennia zeer veel ervaring opgedaan voor de verkenning van de diepere ondergrond(honderden meters tot kilometers). Opmerkelijk is dat een vergelijkbaar probleem zich daarniet voordoet en nagegaan is waarom dat het geval is.Bij seismische metingen wordt een eenvoudig triggermechanisme gebruikt. De springladingwordt tot detonatie gebracht door middel van een elektrische puIs. De speciale seismischeontsteker (ook wel momentontsteker genoemd) zorgt ervoor dat de detonatie binnen enkelemicroseconden plaatsvindt. De elektrische puIs wordt ook gebruikt om het opnamesysteem testarten. Ook hier zit een tijdverschil van enkele microseconden tussen. Aangezien derelevante echotijden in het (tientallen) milliseconden-gebied liggen en er gewerkt wordt meteen sample rate van bijvoorbeeld 0,25 ms, hebben deze microseconden geen invloed op deregistratie. Het principe is een kort, elektrisch pulssignaal dat zowel de detonatie als deopnameapparatuur triggert. Ook de verschillen in geofoonkarakteristieken en in kabellengtesspelen zich af op een tijdschaal die kort is ten opzichte van de relevante meettijden.Bij grondradar liggen de relevante meettijden in het nanoseconde-gebied (10-9 s) en wordt delooptijd van elektrische signalen dus wel van belang. In de grondradarwereld is slechtsweinig aandacht besteed aan het bepalen van de nultijd, enigszins met uitzondering van hetwat diepere, geologisch georienteerde werk. Het merendeel van het grondradarwerk wordtuitgevoerd met een constante afstand (offset) tussen zender en ontvanger, waarbij dikwijlszelfs niet de mogelijkheid bestaat deze afstand te varieren omdat zender en ontvanger fysiekin een kast zijn ingebouwd. Verder wordt de meting in het merendeel van de gevallen serni-kwantitatief gebruikt en geijkt aan her en der een boring of ander kalibratiepunt.Bij het bovengenoemde geologische werk [4, 5] wordt in het algemeen wel met meerdereantenneposities gemeten, maar wel met fysiek steeds dezelfde antenne; onderlinge antenne-
22
verschillen spelen dan dus geen roi. Voor het bepalen van de effectieve 't=O' wordt gebruikgernaakt van de radargolf die langs het rnaaiveld loopt. Wanneer deze op meerdere positieswordt waargenomen kan door terugextrapolatie naar de bronpositie het effectieve zendrno-ment worden gedefinieerd. Bij het gebruik maken van afgeschermde zenders en ontvangerswordt de (waarneming van de) oppervlaktegolf sterk onderdrukt. Doordat in de civieletechniek gewoonlijk met afgeschermde zenders en ontvangers wordt gewerkt is dezemogelijkheid daar slechts beperkt of niet aanwezig. Hiervoor dient dus een andere werkwijzeontworpen te worden.Tijdens de metingen kwam duidelijk naar voren dat de bundelhoek van de gebruikte GSSI-antennes een beperkende factor vormt. Bij een beperkte bundelhoek en grote antenne-offsetsontstaat er een grote 'dode hoek' tussen de antennes, dicht aan het maaiveld. Om toch allepunten in de ondergrond te belichten dienen bij het op te zetten systeem niet alleen deontvangerposities maar ook de zenderposities in het array variabel te zijn. Een alternatiefzou zijn een antenne toe te passen met een brede bundelhoek, zoals de PulseEkko-antenne.De verwachting is evenwel dat een brede bundel in de grond gepaard gaat met een slechteafscherming naar boven, en daarmee veel reflecties van gebouwen, lantaarnpalen, auto's enbomen genereert.Gezien de rnatige kwaliteit van de datasets wordt in dit rapport niet verder ingegaan op deindividuele registraties. Een uitgebreide analyse van de data is vastgelegd in een interne rap-portage [6].
4.2 DZH te Monster
Naar aanleiding van de bevindingen op de testlocatie Vaanplein, is in overleg met de uitvoe-ringscommissie L 110, besloten om voor het verkrijgen van een goede dataset eerst eentestlocatie met een enkelvoudige reflector in een zandige ondergrond te gebruiken.De kwaliteit van de data is zoals verwacht zeer goed. De reflecties van de waterleidingkomen in deze zandige ondergrond goed naar voren. Doordat een meer-antenne systeemgesimuleerd werd met een enkelvoudig systeem zijn zeer veel meetpunten opgenomen. Heteentonige werk en de veelvoud aan meetpunten heeft geleid tot fouten bij de data-inwinning.Er zijn per abuis meetpunten tweemaal opgenomen en meetpunten overgeslagen.Voorafgaande aan de dataprocessing is voor deze fouten gecorrigeerd.Omdat de signaallruis verhouding in de data goed is en er weinig clutter optreedt is hettoepassen van dataprocessingstechnieken op deze data relatief eenvoudig: in de data is deleiding ook visueel goed te volgen. Er zijn twee dataprocessingstechnieken toegepast: metbehulp van een standaard seismisch pakket en met behulp van beeldverwerkingssoftware,speciaal voor dit project ontwikkeld.Het toepassen van de techniek pre-stack migratie, die in het seismisch pakket beschikbaarwas, leverde geen bevredigend resultaat. Bij nadere analyse bleek dit een tamelijk principieleachtergrond te hebben, en voor de toekomst is dit dan ook geen veelbelovend pad. Dit wordtin hoofdstuk 5 nader geanalyseerd. Het reconstrueren van de enkele waterleiding op hetDZH-terrein met behulp van beeldbewerkingstechnieken is wel succesvol gebleken. Hierbijworden serni-automatisch grote reflecties in de individuele traces opgespoord, en dezeworden van trace naar trace vervolgd (zie 5.2.2). De aldus gevonden 'clusters' van reflectiesworden vervolgens gefit aan het typische reflectiepatroon van een leiding. Ook dit wordt inhoofdstuk 5 nader genalyseerd. De goede resultaten worden in hoge mate gedragen door degoede kwaliteit van de data, dat wi! zeggen een hoge signaal/c1utter-verhouding. Om deprogramrnatuur verder te ontwikkelen en te testen of de gevonden strategie blijft werken als
23
globale leiding bovenkant buis diameter opmerkingenlocatie nummer (m onder MY) (mm)
(m)
2 0 0,9 110
5 1 0,9 110 water gevulde buis
8 2 0,4 110
11 3 0,4 110
14 4 0,85 160
17 5 0,85 160
20 6 0,85 160
23 7 0,8 200
27-28 8.1 0,6 110
27-28 8.2 0,8 110
27-28 8.3 0,85 160
27-28 8.4 1,0 200
31-32 9.1 0,85 160
31-32 9.2 1,0 200
31-32 9.3 0,8 110
31-32 9.4 0,6 110
35 10 0,4 110
38 11 0,9 110
41 12 0,9 110
44 13 0,85 160
47 14 circa 0,8 200
n.v.t. 15 1,5 114 stalen gasbuis
er naast de gezochte leidingreflectie nog (veel) andere reflecterende objecten in de onder-grond aanwezig zijn, is voor een derde testlocatie gezocht naar een meer realistische situatie.
4.3 Gastec te Apeldoom
Op deze testlocatie zijn de meest uitgebreide meetsessies uitgevoerd. Om ook een idee tekrijgen van de verschillende commercieel beschikbare apparatuur is tevens een vergelijkinggemaakt met de verschillende antennesystemen. In tabel 2 is weergegeven welke leidingenop welke diepte in het proefveld liggen, conform de informatie van Gastec.
Tabel 2. Ondergrondse infrastructuur testlocatie Gastec (opgave Gastec, Apeldoom).
24
Tijdens de eerste meetdag zijn er vier verschillende antennes op het proefveld actief geweest.In verband met wederzijdse storende invloeden van de antennes, is een strak meetschemaaangehouden. Immers, de niet-afgeschermdeantennes zouden beinvloed kunnen worden doorsignalen van de andere antenne(systemen). Mogelijk zal dit ook gelden voor afgeschermdeantennes, daar volledige afschermingvan antennes technisch moeilijk realiseerbaar is.
Er is op verschillende dagen gemeten. Experiment 5 (PulseEkko 225 MHz met verschillendeoffsets) is uitgevoerd op een relatief vochtige ondergrond. Tijdens de eerdere metingen wasde ondergrond droog nadat geruime tijd geen regen van betekenis was gevallen. Het gevolghiervan is een verandering in dielektrische constante en dus ook van de golfvoortplantings-snelheid in de ondergrond. Naarmate het vochtgehalte van de ondergrond toeneemt wordt degolfvoorplantingssnelheid van de radarsignalen lager .De productiesnelheid verschilt persysteem, maar is in principe variabel. In deze opzet is de 300 MHz antenne metloopsnelheid (ca. 1 mls) over het maaiveld getrokken, waarbij met een snelheid van 25 scansper seconde continu data opgeslagen wordt. Dit betekent dat elke 4 cm een meetpuntopgeslagen wordt dat is opgenomen gedurende de voortbeweging over die 4 cm. DePulseEkko systemen maken gebruik gemaakt van trace-stacking. Hierbij wordt bij elkmeetpunt gestopt en meerdere keren (meestal 32 of 64) een reflectiesignaal opgenomen.Alleen het gemiddelde van dit signaal wordt opgeslagen. Bij deze meting is eenstationsafstand van respectievelijk 5 cm (450 MHz) en 10 cm aangehouden. Voordeel vandeze werkwijze kan zijn het verbeteren van de signaal/ruis-verhouding omdat (elektronische)ruis of ruis van buiten komende signalen (radio, schakelpulsen) uitgemiddeld worden. Hetnadeel is dat de productiesnelheid drastisch omlaag gaat. Deze bedroeg circa een factor 10ten opzichte van GSSI 300 MHz. (GSSI: ca. 1 mls; PulseEkko ca. 0,1 mls).
De signalen van de GSSI 300 MHz en PulseEkko 200 MHz apparatuur zijn duidelijklagerfrequent dan de nominale frequentie suggereert. Gevonden is dat deze respectievelijkcirca 180 MHz en 100 MHz bedragen, derhalve ongeveer een factor twee lager. Dezesystemen zijn in feite minder geschikt voor het bepalen van de diepteligging van objectenmet een resolutie van 0,1 m in de ondiepe ondergrond tot 2 m. In de haalbaarheidstudie [1]is daarvoor 300 MHz (in de grond) als goed compromis tussen penetratie en resolutie aange-geven. De afgeschermde antennes van PulseEkko 225 MHz en 450 MHz leveren een beterresultaat. Deze blijken ook een frequentie uit te zenden die redelijk met hun naamgevingovereenkomt. Vit de proef met de stalen pijp op circa 1,5 m kan worden geconcludeerd datin moeilijke omstandigheden het PulseEkko 450 MHz systeem mogelijk niet genoeg diep-te-penetratie heeft om pijpen op een diepte van 2 m te kunnen detecteren.
Voor deze proeflocatie, met ondiepe leidingen en een tamelijk zandige grond, geldt dat hetPulseEkko 450 MHz systeem het beste detectiesysteem is. Dit komt door de relatief kortebronpuls. Ook is het onderscheid tussen clutter en relevante reflecties goed. Onder gunstigeomstandigheden (droog zand) is het mogelijk dat deze antenne ook de beste resultatenoplevert voor leidingen tot een diepte van 2 meter.
4.4 Conclusies testmetingen
Tijdens de eerste serie testmetingen (Vaanplein) die is uitgevoerd met het commercieelbeschikbaar meer-kanaals data-inwinningsysteem SIRI0 van GSSI bleek dat dit systeem nogin een experimentele fase verkeerde. Informatie die van essentieel belang was voor de
25
dataprocessing werd niet opgeslagen. In de vervolgexperimenten is noodgedwongenuitgeweken naar een simulatie van een meerkanaalssyteem, door een groot aantal enkelka-naalsmetingen uit te voeren.
De kwaliteit van de ingewonnen data varieerde sterk. De testloctie Vaanplein leverdekwalitatief slechte data op, mede door een onbedoeld grote heterogeniteit in de ondergrond.De kwalitatief beste data werd gegenereerd op de testlocatie te Monster waar eenenkelvoudige, harde reflector (watergevulde pvc-pijp) in een homogene zandachtergrond hetdoelobject vormde. Bij de testlocatie van Gastec was de datakwaliteit athankelijk van hetobject (watergevulde pijp versus luchtgevulde pijp) en het antennetype. De penetratiedieptewas op de testlocatie in Monster en Apeldoom voor alle toegepaste systemen voldoende.
Uit de eerste serie testmetingen (Vaanplein) bleek dat de reflectiesterkte van de pvc-pijpenmet daarin een 36 mm stalen stang betrekkelijk gering was in vergelijking met de inhomo-geniteiten in het omringende zand. Deels heeft dit te maken met de grote heterogeniteit vanhet zand, deels mogelijk met de ingewikkelde reflector bestaande uit een 0 36 mm stalenpijp in een 0 90 mm met lucht gevulde pvc-pijp in droog zand. Stalen pijpen met eengrotere diameter (> 100 mm) en met water gevulde pvc-pijpen hebben een groot contrast enzijn duidelijk te herkennen boven de achtergrond'ruis' die wordt veroorzaakt doorinhomogeniteiten in de ondergrond. Bij de metingen op het Gastec-terrein blijkt dit duidelijk.In de situatie bij Gastec zijn deze inhomogeniteiten veroorzaakt door de aanwezigheid vanpuinresten en het vergraven van het hele terrein.
De bundelhoek van de gebruikte antennes is een beperkende factor. Bij een beperkte bundel-hoek en grote antenne-offsets ontstaat er een grote 'dode hoek'. Om toch alle punten in deondergrond te belichten dient bij het op te zetten systeem niet alleen de ontvangerpositiesmaar ook de zenderposities in het array variabel te zijn. Ook zou het interessant kunnen zijneen antenne toe te passen met een brede bundelhoek. Om die reden is ook een vergelijkendonderzoek uitgevoerd naar de kwaliteiten van verschillende merken antennes. Gebleken isdat een brede bundel in de grond gepaard gaat met een slechte afscherming naar boven, endaarrnee veel reflecties van gebouwen, lantaarnpalen en bomen opvangt. Dit beperkt debruikbaarheid in de bebouwde omgeving van dat type antennes.
Het aantal antenneposities van waaruit gemeten moet worden blijkt duidelijk groter te zijndan tevoren op theoretische gronden was verwacht. Dit heeft tot gevolg dat bij de bouw vaneen array de fysieke omvang van de commercieel beschikbare antennesystemen een beper-kende factor kan zijn of wederom dat de antenneposities flexibel moeten zijn.
De productiesnelheid is systeemathankelijk. De data met het GSSI-systeem werd oploopsnelheid ingewonnen. De Pulsekko systemen maken gebruik van trace-stacking, waarbijbij elk meetpunt gestopt wordt om data in te winnen. Bij beide systemen kan deproductiesnelheid eenvoudig verhoogd worden.
26
HOOFDSTUK 5
DATAPROCESSING
5.1 Algemene beschrijving
Op de data zijn twee geheel verschillende wijzen van dataprocessing toegepast. In de eersteplaats is nagegaan of de data zich lenen voor verwerking via een standaard seismisch pakket.De bedoeling daarbij was om met behulp van migratietechnieken een scherpe atbeelding temaken waarbij de informatie van meerdere zend-ontvangcombinaties gebruikt wordt.
Met behulp van het seismische pakket zijn experimenten uitgevoerd met zogenaamde pre-stack schotmigratie. Het basisidee van de 3D-Grondradar was het fysiek in een arrayinbouwen van een aantal antennes, en het bij uitvoering van de metingen simultaan opnemenvan de reflecties aan objecten. Deze reflecties zouden daarbij gegenereerd zijn door hetzendsignaal van de centraal geplaatste zendantenne. Uit deze meting zou on-line eendwarsdoorsnede van de ondergrond onder het array moeten worden afgeleid. Deze wijze vandataverwerking is conceptueel, wat in de seismiek bekend staat als pre-stack schotmigratie.Deze experimenten waren niet succesvol. De reden hiervoor is bij analyse tamelijkprincipieel en leidt tot een belangrijke conc1usie over hoe het 3D-Grondradar-system verdermoet worden vormgegeven.
Bij het gebruikmaken van common shot data neemt de echotijd (zender-object-ontvanger)slechts langzaam toe met een groter wordende offset. Om tot een goede verwerking van dezedata te kunnen komen is het daarom essentieel dat tot op grote offsets data worden opgeno-men. Bij de 3D-Grondradar is dat om twee redenen bezwaarlijk: in de eerste plaats is depenetratie van de grondradargolven in de grond vaak tamelijk beperkt zodat bij grote offsetsin het geheel geen signaal meer wordt waargenomen; in de tweede plaats is er bij de 3D-Grondradar de fysieke beperking dat het antenne-array ook nog hanteerbaar moet blijven,hetgeen zelfs met een array van circa 4 meter lang al twijfelachtig is. Gebleken is bij deanalyse van de data dat het bij de gebruikte offsets en een leiding op ca. 1 meter diepte nietmogelijk is de leiding scherp af te beelden. Opgemerkt moet worden dat die constateringgedaan is op data van extreem goede kwaliteit: een zeer homogene achtergrond in combi-natie met een zeer duidelijke reflector leidt tot een zeer hoge signaal/c1utter-verhouding. Hetprobleem hier is evenwel niet het onderscheiden van een object temidden van andereobjecten, maar puur een atbeeldingsprobleem waarbij de openingshoek van het detectie-systeem tekortschiet voor een scherpe atbeelding.
De conc1usie daaruit voor het 3D-Grondradarsysteem is dat de opzet met een vaste zendermet een aantal ontvangantennes op een array daarnaast, onvoldoende informatie verschaftvoor een atbeelding in de dwarsdoorsnede. De zenderpositie zal derhalve variabel in hetarray moeten zijn. Opgemerkt wordt dat dit op basis van een geheel andere overweging (de'dode hoek') ook al eerder geconc1udeerd werd uit de metingen op het Vaanplein.
In de L llO-rapportage van NITG-TNO 'Radargolven in grond' [9] wordt uitvoerig ingegaanop de verschillen tussen het gedrag van radargolven en dat van seismische golven in grond.De conc1usie uit dit rapport met betrekking tot het laatste is dat de winst die kan wordenbereikt met een aantal dataverwerkingsstappen in de reflectieseismiek, om een aantal redenen
27
bij grondradardata niet kan worden behaald. Bij grondradardata is de bandbreedte smaller enzijn de dynamiek en signaal-ruis verhouding lager ten opzichte van seisrnische data. Daarbijbevinden de belangrijkste ruisbronnen en storende reflectiesignalen (clutter) zich in hetzelfdefrequentiebereik. Bij de seismiek heeft de ruis in veel gevallen een ander frequentiebereikdan het gezochte reflectiesignaal, waardoor met filtering een grote winst kan wordenbehaald.
De methode van beeldverwerking zoals toegepast door TNO- TPD heeft minder last van dekortere hyperbooltakken. Deze methode is gebaseerd op het automatisch detecteren van desterkste reflectiepulsen en het volgen van deze reflecties in de ontvangsignalen op nabijge-legen posities, zowel binnen het array (andere antenneposities) als in de looprichtingloodrecht op het array. Deze worden vervolgens door alle registraties heen geclusterd, endeze geclusterde data worden gefit met behulp van een hyperboloide die het typischereflectiepatroon representeert van een langgerekt voorwerp als een leiding. In principekunnen hier ook andere standaardreflecties overheen worden gelegd (laagovergangen, al danniet hellend, leidingen, eveneens in verschillende richtingen en gelokaliseerde objecten),maar dat is een rekenintensieve operatie. Voor de Monster-data was deze aanpak vruchtbaar.Bij de data van Gastec bleek echter dat de aanpak te zeer athankelijk was van een zeer hogesignaal/ruis verhouding. Voor die data is daarom een type dataverwerking toegepast dieconceptueel sterk op de zero-offset migratietechniek uit de reflectieseismiek lijkt. In denavolgende paragrafen wordt hierop teruggekomen.
Opgemerkt moet worden dat bij de dataverwerking voomamelijk gebruik is gemaakt vanmetingen die met steeds dezelfde, kleine offset zijn uitgevoerd. In die situatie is een grotebundelbreedte niet direct nodig. Een gunstig neveneffect daarvan is dat ook afgeschermdesmalbundelige) antennes gebruikt kunnen worden hetgeen het storingsprobleem van boven-grondse objecten oplost.
Voor de verwerking van de meetgegevens is gebruik gemaakt van de seismische signaalver-werkingstoolbox "Seismic Unix" (SU) en het pakket "Matlab" . Aile metingen en computer-programma's voor de verwerking van de gegevens zijn op aanvraag (bij TNO-TPD) beschik-baar op CD-ROM.
In bijlage Al is een opsomming te vinden van de figuren waamaar in dit rapport verwezenwordt, met bijbehorende bestandsnamen van de postscript bestanden op de CD-ROM. Eenafdruk van deze figuren is achterin dit rapport te vinden. Tevens zijn de meeste andereatbeeldingen van resultaten van verwerking van de "Gastec" data als postscript bestanden opde CD-ROM te vinden. Er is een (overigens vrij verkrijgbaar) viewer programma op de CD-ROM opgenomen om de postscript bestanden te bekijken (alleen voor MS-Windows 95/NT).Voor de details van de verwerkingsstappen wordt in dit rapport door rniddel van eindnotenverwezen naar (Matlab) programma's op de CD-ROM. De eindnoten zijn te vinden inbijlage A2.
5.2 Metingen Monster
5.2.1 AlgemeenDe metingen in Monster betreffen een complete multi-offset 3D data-acquisitie over eenstalen pijp. Alle mogelijke offsets tussen bron en ontvanger met een stap van 0,1 m vanaf
28
een minimumwaarde van 0,4 m zijn opgenomen. De kwaliteit van de data bleek goed te zijn.In alle radargrammen is de reflectie aan de pijp het sterkste event na de directe golf. In velegevallen wordt een tijdafhankelijke versterking gebruikt om signalen die later binnenkomenextra te versterken. Dit betreft signalen met langere looptijden, die door verderweg liggendeobjecten zijn gereflecteerd en waarvan het signaal in het algemeen tijdens de voortplantingmeer verzwakt is. In dit geval was het signaal zodanig duidelijk dat geen tijdafhankelijkeversterking is gebruikt.
Vanwege de goede datakwaliteit is alleen de kleinste offset gebruikt voor de processing. Hetleek onwaarschijnlijk dat het mede gebruiken van de grotere offsets tot bruikbare conc1usieszou leiden betreffende een verbetering in de signaal/c1utter verhouding.
5.2.2 ProcessingOm tot een schatting van de pijpligging te komen, worden de volgende processingstappendoorlopen. De in de seismiek gebruikelijke Engelse terminologie is gehanteerd. Een trace isde tijdregistratie van een ontvangantenne waarin de echo's van objecten zijn opgeslagen. Eenevent is een signaal dat door een menselijke of automatische interpretator geldentificeerdwordt als afkomstig van een relevant object. Een pick is (het moment) van een gelnterpre-teerd event. Een radargram is de verzameling traces die op een (dwars)raai is opgenomen.1. Vertaling van ruwe Pulse-Ekko data naar Seismic Unix (SU) formaat, uitgevoerd bij
NITG.1 AIle data zijn met de hand gecontroleerd op dubbele traces of foute traces; waarnodig zijn correcties aangebracht.
2. Bepalen van de looptijden van alle events in de afzonderlijke traces.2Clippen van de data; hierbij blijven alleen de positieve pieken boven een zekereamplitude over.Normeren van aIle traces naar de maximum amplitude in het trace.Zoeken van unieke maxima.
3. Clusteren van looptijdpicks met als resultaat een beperkt aantal events; het verbinden vanpicks in de afzonderlijke traces tot een 2D lijn of hyperbololde.3
4. Statics correctie aan de hand van directe golf event; door verschillende exteme oorzakenkunnen er kleine tijdverschillen tussen de traces optreden. Deze waren minder dan 10 %van de breedte van een reflectiepiek.
5. Ais aIle radargrammen behandeld zijn: c1usteren in 3D (langs een as loodrecht op deraaien), bestaande uit4:
3D statics correctie over aIle radargrammen.Logisch verbinden van 2D events over verschillende schoten; het berekenen van 3Duitgebreidheid van events.
6. Niet lineair (iteratiet) fitten van een model-pijpresponsie aan het door de gebruikergeldentificeerde 3D-evenf. De model-responsie van een pijp is een cilindrisch-hyperbo-lisch oppervlak dat door vijf parameters wordt bepaald:
x positie top onder eerste raai (onder de eerste raai);z positie top (diepte) onder eerste raai (onder de eerste raai);hoek van de pijp met het horizontale (x,y)-vlak;hoek van de pijp met het verticale (x,z)-vlak;golfvoortplantingssnelheid.
Deze parameters worden in de fitprocedure uit de data geschat.
29
5.2.3 ResultatenmonsterFiguur 7 geeft een voorbeeld van een radargram. Over de raailengte van 2 m is elke 0,1 meen trace opgenomen. De traces zijn naast elkaar uitgezet. De diepteschaal is gegeven in ns(1 ns = 10-9 see).
0offset (m)
1 20
, "~~>2,l,lIl,l,lIlJll ,lJ,l, lc50 I r'(
~'(i"
~(-C
_
'C-r-c-C~l.
"~.
~-
-
-
'~
-
lj,
l
,
-t_C'(
_-
',
.-r-~ ~ .-" (
<. <.. l (l. ( ( (~ ......(', cl. ((-.;~~.~...~~."~~~--~~ ).- ~~. .-. '. '--.'-'..C. ("
j
'--
}
'(-~ (. (.. ,~.<:.<-
\1\\~~~~) »)~
g 100lJ U U u J U L j fl1+ 1+
150+-1 :- -4 1-4 1-+ 1- -.-+ 1- -1+
Fig.7. Voorbeeld radargram Monster data. Het hyperboolvormige event atkomstig van de pijp is duidelijk tezien.
Figuur 8 geeft de bijbehorende looptijd picks na processingstap 2.Figuur 9 toont de 2D geclusterde data behorende bij figuur 8. De data zijn in drie clustersverzameld (geel, rood, blauw). Enkele picks zijn 'eenlingen'.Figuur 10 toont de geclusterde data in drie dimensies. Het gele cluster is een maaiveldOge-relateerd fenomeen, het blauwe cluster is aan de pijp gekoppeld. De betekenis van het rodecluster is onduidelijk. Mogelijk is dit een artefact afkomstig van interferentie tussen maaivelden pijp.Figuur 11 toont het 3D data oppervlak van het cluster behorende bij het pijp event. De kleurgeeft hier de amplitude van de waargenomen reflectie weer (ora,nje hoog, blauw laag). Ditoppervlak voIgt direct uit de data. Het beeld van een langgerekte reflector komt hier reedsduidelijk naar voren. Wanneer deze data gefit worden aan het bovenbeschreven pijp-modelontstaat figuur 12. Van de fitparameters is vooral van belang de diepteligging van de pijp.Deze wordt, zonder verdere voorinformatie of kalibratie, bepaald op 1,03 m. Tijdens deuitvoering van de metingen is de pijp op een positie aangeprikt en vastgesteld dat de boven-zijde van de pijp op circa 1,2 m ligt. Ook de horizontale ligging blijkt goed overeen testemmen.
30
gevonden energie op al die tijdstippen opgeteld en toegekend aan het gekozen punt van dedwarsdoorsnede. Conceptueel is dit proces vergelijkbaar met de in de seismiek bekend zero-offset migratie. Essentieel verschil met de methode toegepast op de Monster-data is dat hiervanaf het begin alle traces op een raai in de beschouwing worden betrokken. Ruis of clutterin de afzonderlijke traces speelt daardoor een veel geringere ro!. Er wordt bij de processingwel gebruik gemaakt van hetzelfde 3D-Iooptijdmodel voor de pijpreflectie als hetgeenontwikkeld is voor de Monster-data.
In eerste instantie zijn van alle toegepaste systemen de radargrammen van de lange raaienkwalitatief bekeken. In verband met de zeer grote hoeveelheid data is vervolgens besloten deuitgebreide data-analyse te beperken tot een kleine subset van de data. Gekozen is voor dePulseEkko-data van de twee systemen van de TU Delft. De volgende overwegingen hebbendaarbij een rol gespeeld:
- de PuiseEkk0200 is een niet-afgeschermd systeem en daardoor voor de toekomst waar-schijnlijk minder bruikbaar;
- de signalen van de GSSI 300 MHz en PulseEkko 200 MHz zijn relatief laagfrequent, ende systemen zijn minder geschikt voor het detecteren van objecten met een resolutie van0,1 m in de ondiepe ondergrond tot 2 m;
- de datakwaliteit van de PulseEkko systemen is beter dan van de GSSI in termen vansignaalkwaliteit: minder clutter.
Op basis hiervan is besloten de verdere analyse te concentreren op de twee systemen van deTU Delft: PulseEkko 225 MHz en 450 MHz.
5.3.2 ProcessingDe volgende processing stappen worden doorlopen (zie voor details de betreffende Matlabscripts):
1. Dataconversie.a) De ruwe meetdata is door TUD geconverteerd naar SEGY formaat.b) De SEGY data is door TNO-TPD geconverteerd naar Matlab formaat6.
2. Bepalen van de jrequentie-inhoud van de verschillende systemen voor een aantal raaien,voor en na pre-processing7. Het amplitude-spectrum is bepaald door alle traces naar hetfrequentiedomein te transformeren en daarna de magnitude van de spectra op te tellen.
3. Processing (dataverwerking) in enkele stap voor raaien 41 en 42 (metalen pijp) en voorde raaien 11 t/m 21 (de zogenaamde "combisleuf'), en in secties van 10 meter voorraaien 1 t/m 38. Dit omvat:a) Pre-processing. Bandpass-filtering, bepalen looptijd directe golf en daaruit to,
toepassen van tijdathankelijke versterking9, Het bandpassfilter laat alles door tussen50 MHz en (fNYQ-50)MHz. Het tijdstip to wordt gesteld op het tijdstip in de som vanaIle traces waar de maximale amplitude bereikt wordt, minus de tijd die de puIs erover doet om van de bron direct naar de ontvanger te propageren (met aangenomensnelheid in lucht, 0,3 mlns). De tijdathankelijke versterking wordt uitgevoerdvolgens een curve welke ook door Pulse-Ekko gebruikt wordt, en is hetzelfde voorelke trace in een dataset. Een maat voor de versterking is de factor a.
34
b) Ajbeelden. Berekenen van looptijden van events van mogelijke pijpen voor allepunten in de ondergrond. De doorsnede van de pijp wordt op 0 gesteld. Voor decombisleuf wordt gebruik gemaakt van het 3D kortste-Iooptijd model dat ook op deMonsterdata is gebruikt. Voor elk beeldpunt in de ruwe atbeelding wordt de datageintegreerd over de berekende 100ptijdcurvelO. De relatieve permittiviteit fr (en dusde golfvoortplantingsnelheid) wordt bepaald door in de lange raaien voor een goedzichtbaar event (de responsie van de watergevulde pijp) iteratief de beste 'fit' tezoeken, met het impliciete gegeven dat de leiding loodrecht wordt gekruist.
c) Stacken. Deze stap is alleen van toepassing voor de metingen van experiment 511.Voor elke offset afzonderlijk wordt een atbeelding gemaakt zoals beschreven onderb). De verkregen atbeeldingen worden opgeteld in de volgorde van offsets van 0,6,0,4, 0,8 en 1,0 meter. Ais eerste is 0,6 m gekozen omdat de door PulseEkkoaanbevolen minimale offset 0,5 m bedraagt en de 0,4 m data mogelijk verstoord zijn.Bij elke optelling is eerst een 2D correlatie van de atbeelding met het vorige optel-resultaat uitgevoerd. De atbeelding wordt daarbij verschoven zodanig dat het opti-maal past op het vorige resultaat. De atbeelding met offset 0,6 meter ('s') bepaalt deinitiele positie van alle indicaties. Deze procedure was noodzakelijk omdat kleineverschuivingen (vooral in diepte) optraden tussen de metingen met verschillendeoffsets. Dit wordt veroorzaakt door een iets andere pulsvorm. De procedure heeft alsvoornaamste effect dat verschillen in to (die zich vertalen naar verschillen in dediepte) gecompenseerd worden.
d) Visualisatie ruwe afbeeldingen. Plotten van ruwe atbeeldingen en de gevonden meestoptimale fit in de data. Resultaten worden naar postscript bestanden weggeschrevenom later te kunnen bekijken of uit te printenl2.
4. Extraheren van events uit ruwe atbeeldingen, door middel van drempelen en/ofdeconvolutiel3.
5. 3D visualiseren (alleen voor de raaien 11 t/m 21) van de vier pijpen in de combisleuf.Opnieuw toepassen van een drempel om clutter te onderdrukken.
5.3.3 Resultaten apeldoomDe data van raai 41 en 42 (stalen pijp) zijn niet allemaal verwerkt. De respollS van de pijp isin de data echter goed te zien met alle systemen. Enkele resultaten van ruwe atbeeldingenzijn te vinden op de CD-ROM. De pijp wordt afgebeeld op een diepte van (1,60 + 1- 0, 1)meter. Door Gastec is hier een diepte van circa 1,5 m opgegeven; de exacte diepte is nietbekend. AI tijdens het meten werd vastgesteld dat de door Gastec opgegeven locatie (vandeze niet tot het eigenlijke Gastec-proefveld behorende pijp) niet accuraat was; de pijp lagop 4 m van de opgegeven locatie.
Omdat de TUD225 en TUD450 antennes de beste data opleverden zijn alleen deze datavolledig verwerkt en gevisualiseerd.
Frequentie-inhoudVoor alle antennes is de frequentie-inhoud bekeken in alle gemeten raaien, zowel voor als napre-processing. Er is, voor een bepaald systeem, een grote overeenkomst van de frequentie-
35
inhoud over de verschillende raaien. Enkele typische geva1len worden hier weergegeven,voor de andere plots wordt verwezen naar de postscript files op de CD-ROM.
Figuur 13.a, 13.b, 13.c en 13.d geven typische frequentieplots voor de systemen NITG200,TUD225, GD300 en TUD450, De gestippelde lijnen geven de ruwe data weer vanaf 5 Hz.De getrokken lijnen geven de data weer na pre-processen, waarbij de directe golf over deeerste 10 ns onderdrukt is. Er is geen tijdafhankelijke versterking toegepast; het zuiverespectrum van de diffractie en reflectie energie wordt weergegeven, Figuur 13.e geeft eenvoorbeeld van de invloed van de tijdafhankelijke versterking met een factor a=3, tevergelijken met figuur 13.d. Dit geeft enige verschuiving van de frequentieband naaromlaag. Amplitudespectrum NITG/r02_200- Gem., ruw&pre-proc" 2=0
0f.'
"" ",'J"""...
f"""".~
..I .~.."'''', ':"''''''
.'~, ..' .~ ~........
II\ ,.. .'.. .' \
\ I :. : :-10 r- -\' /.
...~. .,,<...,: ",., -: .."..., -:, ':-'
, .. '...';'"
,...,. -:",. .: ..:........
./ : '-,'
-30
-..""' "
..- "........-20-'"
,
m:s.<II
] -40
~<
. ...."',"'""",'
...... ","""'.. '.,,. ,
""~<'.'~'.'j','~'.~,'
"
,~..
. . . .. . ..: . .., . . .. -:. .. . . ... ..:. . . ..: . .:- .
1'. :-.. . . .:- . . .. . ... .:- ..,. .. . .:. .. .
. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .
. . . . . . . . .
-50 r- . . . . . . . .~
. . . . . . , . .~
. . . . . . . . .~ . . . . . . . . .:.. . . . . . . . .:.. . . . . . .. ; : ~.. . . . . . , , ;, . . . , . . .
. .
-60 r- . . . .. . . . ; . . .. .. . <.. .. .. .. <- .. .. .. .. .:.. .. . .. . . .:. . . .. .. ..':"
. .. . .. ..:- .. .. .'. ..;- .. . . .. .. ~... .. . ..
-70 r- . . . .. . . .:. . .. . . .. -:... .'"
.. -: -:... . ... .. .:.. . ..':'"
. ." . .':' '
. .. .."':'"
. . .. .':"
... ...
-800 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
FreQuentie (MHz)
Fig, 13a. Amplitude spectrum van NITG200 antenne, berekend uit raai 2. Onderbroken lijn: ruwe data;
getrokken lijn: data na preprocessen. Geen tijdathankelijke versterking toegepast.
De TUD225 en TUD450 systemen hebben een bandbreedte die het best overeenstemt met defrequentie van 300 MHz die in het basisprojectplan als optimaal is genoemd. TUD225 heeftde -6 dB punten bij 150 en 400 MHz; TUD450 heeft -6 dB punten bij 250 en 700 MHz.Beide antennes hebben werkelijke frequenties (in de grond) die in overenstemming zijn metde nominale frequenties, in tegenstelling tot de NITG200 en GD300 antennes die in depraktijk beide een circa twee maa1lagere frequentie hebben dan nominaal.
Processen, afbeelden ruwe dataFiguur 14.a geeft een voorbeeld van een radargram (middelste raai combisleuf met TUD225antenne) waarop looptijdcurves getekend zijn voor twee punten in de afbeelding. Figuur 14.b
36
-20
Amplitude spectrum TUD/r1_225 - Gem., ruw & pre-proc., a=O
0 I- . . . . . . . .1 . . . . . . . . .1 . . .:"';". 1 : . . . . . . .1.. . . . .
"""':-"..",
.
/' ,/ . ';
.. . . -:.. .,..."
.:~.. . : . .. .: :-. ...: '" . .....: \ ,
, . . :...,<»~,-:~_. -,~
<.~. ~..~.~.
"'"
-10-"", .
'"'''''''',-.
-.."
.....".
"',' '... ""',' """"','......
Amplitude spectrum GD/r1_3OO - Gem., ruw & pre-proc., a=O., ..1..' '.. ... .,. . "f """ ......
/:.f", i:
,I \ .: \. .
-10 1-: . . ."y.t . . : . . . . . . ".,,:. . . . . . . . . -:.I
I
I-20 I- .
I
I
: """'" '. '..-,.. ,',.. :- '..- ."
.....-....""'~:.,.,,: ,/.c:,,"""'"
' "'..
-30 I""
!-40
:: :..............3 I
.1: ..:.. ..............-50 I"'" .
,'. ...
"-',"""
'-"'/'C, ,~, '; .:,,""-"
. .
\. /': \ i' ,
: -; : .: :'./ \.
~
-60 ~. ..., ...; : .: .: '."""'"
.: .: ~ .."""'"
-70 f- . . . .. . .':
. . .. . . .. .:.. . . . . . . ..:. . .":' '"
. ... . .:.. . .. . ... -; .:.. . :. . . . ... . . ;. . ......
-800 100 200 300 400 500 600
Frequentie (MHz)700 800 ~o 1000
Fig.13c. Amplitude spectrum van GD300 antenne, berekend uit raai 1. Onderbroken lijn: ruwe data; getrokkenlijn: data na preprocessen. Geen tijdafhankelijke versterking toegepast.
In de resultaten zijn de door de Gastec opgegeven ligging van de pijpen ingetekend doormiddel van blauwe cirkels. Opgemerkt moet worden dat de nauwkeurigheid van de liggingonbekend is, met name in de diepte.
Lange raaienDe keuze voor TUD450/raai 1 en TUD225/raai 2 is gebaseerd op het feit dat alleen dezeraaien in een keer gemeten zijn; de andere metingen bestaan uit verschillende stukken en zijnper meting in een aantal bestanden opgeslagen. Figuur 15 geeft het resultaat voor raai 2 enhet TUD225 systeem, op de eerste meetdag (antenne offset 0,5 m). Hoewel enkele indicatiesop de juiste plaats zichtbaar zijn, is het resultaat weinig bevredigend. Alleen de eerste pijp(op 5 m afstand), die met water gevuld is, is goed zichtbaar. Merk op dat aile 5 secties
dezelfde amplitudeschaling hebben, die zodanig gekozen is dat de grootste reflector (dewatergevulde pijp) de maximum kleurintensiteit heeft. Figuur 16 geeft een vergelijkbaarresultaat, maar dan op de tweede meetdag met het TUD225 systeem over raai 3 met deoffset 0,6 m. Figuur 17 geeft het resultaat voor de stack van de 4 offsets. Al deze resultatenzijn op dezelfde manier geprocessed. Er kan geconcludeerd worden dat de tweede seriemetingen meer last van clutter heeft dan de eerste serie, en dat het stacken van de verschil-lende offsets wel enige, maar geen significante verbetering tot gevolg heeft. Het verschil inclutterintensiteit kan worden toegeschreven aan het feit dat op de tweede meetdag de gronddoor neerslag in de voorafgaande dagen vochtiger was, en dat de vochtverdeling in de grondde heterogeniteiten voor de grondradar geprononceerder heeft gemaakt.
38
Amplitude spectrum TUD/r1350 - Gem., ruw & pre-proc., a=O
Or""'" .~ .L '';'~''--'-'"-'~'~<''.:'::~''''' .~ ..~ ~.........
/' ~'-'-.,'/
.'~""
: / : ".
-10 r-' .""
. .: . ...;:.. ..,. .. -:. . ... -:. . -:. : . . .:- .. . .-:-:.~: ;..:. ... .. .:-"
.. ...
II. .
.,.--:-.-.-.
-20 r-' . . .. . . .. . . .f.: '
~. \ : "-30
~
1 .. :\. /CD
I ':..."1.'"
~. "
- IaI
.~ I.~ -40 "'"
:
~1/":"""'":'''
.
.,'. .
P P P P P P PP P P P P P P P P P
,P P P , - P P
.. .. . . . . . . . .'"
. . . ... ' ,""""-""""
.-"... -. .....
""'-"'" ""'.""'"
-50 r'. ... . .. ~.. .. . . ." ~
..,... . --:. . ""'" .:... . . .:... .: .: .. .:... ...,":'
.. . . .. . . ~.. . .. ...
-60 r' ... . . . .~
.. .. . :... . ... . .'f'
.""'"
.:. .. .. ., . . .:. .: .'f'" """ ':'
. . . .,.. .':"'"
...
-70 k . . . . . . .;. . .. .. ...:. .. . . .. . . .:.. . . .:... . . ... . .:.. .: . .. . . .:-. . ... . ...:. . . . ." ...:-. ... .. .
-800 100 200 300 400 500 600
Frequentie (MHz)700 800 900 1000
Fig.13d. Amplitude spectrum van TUD450 antenne, berekend uit raai I. Onderbroken lijn: ruwe data; getrokkenlijn: data na preprocessen. Geen tijdathankelijke versterking toegepast.
Figuur 18 geeft het resultaat voor raai 1 met het TUD450 systeem. De pijpen op een afstandvan 2, 5, 8, 11, 14, 17, 20, 23, 27 (combisleuf, 4 indicaties), 31 (combisleuf, 4 indicaties),35 en 47 meter zijn goed afgebeeld (18 van de 21 pijpen). AIleen de pijpen op 38, 41 en 44meter zijn in het geheel niet terug te vinden. De dieptes van de indicaties komen nietallemaal exact overeen met de bovenkant van de pijpen zoals opgegeven door Gastec. Deindicaties zijn relatief scherp vergeleken met het TUD225 systeem.
CombisleufIn de resultaten van de combisleuf-metingen is de opgegeven ligging van de pijpen ingete-kend onder een hoek van 65 graden, gecentreerd op de waargenomen events in de middelsteraai (raai 16). Op een bladzijde zijn de raaien 11 t/m 21 afgebeeld van links naar rechts envan boven naar beneden.
Figuur 19 geeft het resultaat voor de combisleuf voor de eerste meting en met het TUD225systeem. Het tweede plaatje van links op de middelste rij is raai 16, verkregen uit de data infiguur 14. Er zijn drie indicaties te zien op de plek van de diepere pijpen, de ondiepe pijp isniet goed afgebeeld. Gezien de matige kwaliteit van de ruwe data (veel clutter) is hetresultaat goed te noemen.
Figuur 20 geeft de resultaten van de tweede metingen voor offset 0,6 m, en figuur 21 degestackte resultaten (aile vier offsets). Ook hier zijn de indicaties van de diepere pijpen tezien. Er is echter wel meer clutter en de indicaties zijn ook minder scherp. Dit is in
39
Amplitude spectrum TUD/r1_450 - Gem., ruw & pre-proc., a=3
10 1-. .' ., . . .1. ,.. . , ,.. , ,. . . ., .1...,.., . ,.1 '.,. .1 .. ,.1."'"
... .1.........
Of-' H" H" H'r-"", >'~'
-, _.~~.:.::::::::~..: -,
~~ '--10f-" 'r:-.: .)~...,.., '."""... .:. ".,.'" .: ,
I
".. ...: . oor~. .. ':'00 . . ... . -:. . .00. . 00-: .. . . .:- . ... . . .. -:. '. . . ..
".:- . . 00. . ..
':'.. . . ..00.: 00.
".. .
: I
~-30!".\
:.;.../ ". ~ .. ,.,.. ..~
, ... .'. ... , ,. , .""""'"
.:... ,
"'".'. ...,
-- """".. , .
~ ~
t -40
I; '; .: .: ., .: ,. .: ':00'" ..00 -:. ...:-.. .....
<I
-50i
'..: .: .: .: .' 00" .' ,' .' 00":''''''''I
-60"
"."'" """"'."
"'.""'""'."""""."
'."
"""''''
-.. -.-
-70 ~ . . . . . . . .: . ... ".. -:... .,.. . . .:. . .. -: .. . . -:.. ... . ... -:.'"
. .. .. .:-. ... . ... .:- .. . .,. .. .:-. . .
-800 100 200 300 400 500 600
Frequentie (MHz)700 800 900 1000
Fig.13e. Amplitude spectrum van TUD450 antenne, berekend uit raai 1. Onderbroken lijn: ruwe data; getrokkenlijn: data na preprocessen. Wel tijdathankelijke versterking toegepast met a=3.
overeenstemming met de lagere frequentie-inhoud van de refleeties en de lagere signaal-ruisverhouding, waarsehijnlijk veroorzaakt door de andere weersomstandigheden in de weekvoor de tweede meetdag (voehtiger/natter). Het staeken van de vier offsets geeft visueelenige verbetering te zien van het eindresultaat, maar is eehter moeilijk te kwantifieeren.
Figuur 22 geeft de resultaten voor het TUD450 systeem. Alle te verwaehten indieaties zijnaanwezig in aile raaien. De horizontale en verticale resolutie van de indieaties is beter dan0,1 m. De absolute diepte komt niet overeen met de door Gastee opgegeven diepte. Deonderste indicatie zou de onderkant van de eombisleuf kunnen zijn in plaats van (de boven-kant van) de onderste pijp. Opmerkelijk is dat in de lange raai (zie fig. 18) de diepte-indiea-tie voor de leidingen in de eombisleuf nabij 28 m wel aeeuraat lijken te zijn en die nabij31 m systematiseh 0,2 a 0,3 m versehoven zijn. Het versehil is te groot om redelijkerwijsdoor variatie in grondslag te worden veroorzaakt; de vraag is hoe aceuraat de werkelijkediepteligging bekend is.
3D visualisatieDe indieaties van de eombisleuf kunnen in 3D gevisualiseerd worden om de ligging van depijpen in drie dimensies zichtbaar te maken. Alle beeldpunten die niet nul zijn worden geplotals eirkel in een 3D-ruimte. De kleur geeft de diepte aanper 25 em.
40
I I II . .
~
I
I
~0
0
I III I
~
~MUmE~~~0N
"x~
E~~N
"c~~CM~~
"9MII~~NNI
~
0~~
0 ~ 0M
0~
0~ 80
~0~
0~
0~
0N
~*
Fig.14a. Voorbeeld radargram. TUD225 antenne, middelste raai combisleuf. De getrokken lijnen geven
gemodelleerde looptijdcurves voor de minimum en maximum gevonden fit.
0- 25 em
25- 50 em
50- 75 em
75-100 em
100-125 em
125-150 em
150-175 em
175-200 em
geel
liehtblauw (eyaan)
blauw
zwart
(komt Diet voor)
rood
liehtrood (magenta)geel
41
-'IV
---
~
:It.
¥
--
'\.~~
!.....-
""
.....
II
I
It)M,...II...Q)E.-....I'-:0~0M..........
II~EEco~0~0M..........
IIc:'eIIIc:
('I')
~('I')II0....
ct)IIas
0It)
:1,......(5::::>I-
I
~~.
-V
""--A
.---JI\
---'\.
---"'V"'V:v
---'\-'\.I~r
\J
~~'
!!!
~~
~~~....
~~,
~~~
....
~
~~~~,-..,-.~
"";...;-.
..-..;...v-...
~-~--.r---~
~
v-V
""V"
-v-"-~
-V--
(su)pfn I
~~
..L0It)
I\-0,
,,-.
--so.
II
I
--
""..-..
..........
.-...
-..I.
...-..
..Lg
-
...L
R..L0ex>
..L00>
.~""'v\.v...'
---0..L~
Fig.14b.V
oorbeeldradargram
.T
UD
450antenne,
middelste
raaicom
bisleuf.D
egetrokken
lijnengeven
gemodelleerde
looptijdcurvesvoor
dem
inimum
enm
aximum
gevondenfit.
0,...0C
\Ig
42
It)~~~LOM('I')E""-"'" .
"0LOC:
'asC
\I-I/)co
C\I
U':!
,.-,....
1000
8,....
Figuur 23 laat een perspectivisch zijaanzicht zien van aile events van figuur 19 (TUD225eerste meetdag), waarbij de events met een amplitude lager dan 25 % van het maximumweggelaten zijn. Figuur 24.a geeft hetzelfde beeld, maar nu zijn de laagste 35 % van deindicaties weggelaten. Figuur 24.b geeft een bovenaanzicht. De ligging van de combisleuf isduidelijk te zien, de buizen zijn echter individueel niet goed herkenbaar.
Figuur 25 laat een perspectivisch zijaanzicht zien van aile indicaties van figuur 22 (TUD450metingen) waarbij de laagste 25 % van de indicaties weggelaten zijn. In figuur 26.a zijn delaagste 50 % van de indicaties weggelaten. De vier buizen in de combisleuf zijn nu welduidelijk te onderscheiden en intuitief direct te herkenen als 'pijpen'. Figuur 26.b geeft eenbovenaanzicht.
5.4 Discussie en conclusies dataverwerking
ApparatuurDe signalen van de GD300 en NITG200 apparatuur zijn relatief laagfrequent, en desystemen zijn minder geschikt voor het detecteren van objecten met een resolutie van 0,1 min de ondiepe op.dergrond tot 2 m. De TUD225 en TUD450 apparatuur is beter geschikt ommet hoge resolutie de eerste 2 m van de ondergrond te onderzoeken. Uit de proef met destalen pijp op - 1,6 m kan geconcludeerd worden dat in moeilijke omstandigheden(geleidende grond) het TUD450 systeem mogelijk niet genoeg diepte-penetratie heeft ompijpen op een diepte van 2 m te kunnen detecteren. Uit de huidige metingen kangeconcludeerd worden dat het TUD450 systeem superieur is aan het TUD225 systeem voorhet detecteren van pijpen tot 1,5 m (aangetoond) en in goede omstandigheden tot 2,0 meter(schatting). Ook voor de ondiepe pijpen (de combisleuf pijp op 0,6 m) is het TUD450systeem superieur, omdat de directe golf relatief kort is. Tevens lijkt het TUD450 systeemminder last te hebben van clutter. Deels kan dit een effect zijn van de grotere werkzamediameter van pijpen van circa 10 cm voor de kleinere golflengte bij 450 MHz (zie daarvoor[9], fig. 11), zodat bij de genormeerde weergave in de figuren de clutter onderdrukt wordt;anderzijds zou men verwachten dat de kortere golflengte (door de hogere frequentie) ook eenmeer geprononceerde reflectie aan allerlei kleine inhomogeniteiten geeft. Veel hangt af vande vraag welke inhomogeniteiten in de grond nu eigenlijk verantwoordelijk zijn voor hetoptreden van clutter. Hierover is in feite erg weinig bekend. Geconc1udeerd moet wordendat clutter een nog onvoldoende begrepen verschijnsel is.
Dataverwerking en visualisatieHet gebruik maken van "picking" technieken (data Monsterdata, zie 5.2) is aIleen zinvolindien de data een hoge signaal-clutterverhouding heeft en de responsies van verschillendeobjecten in het radargram niet teveel overlappen. Het is moeilijk om deze techniek automa-tisch toe te passen, omdat een enkel object een responsie kan hebben die bestaat uitmeerdere, lateraal discontinue delen.
Door gebruik te maken van "looptijdmigratie" en beeldverwerkingstechnieken zoaIs toege-past op de Gastec-data is het mogelijk om een accurate weergave te krijgen van de liggingvan pijpen. Ook bij "ruisige" en geclutterde data, waarbij het moeilijk is om "op het oog"afzonderlijke responsies in de ruwe data te herkennen, werkt de methode nog steeds goed.Opgemerkt moet worden dat een ervaren menselijke operator enige moeite moet doen omalle vier de pijpen te detecteren.
47
In de 3D-figuren van de resultaten van de combisleuf zijn de doorlopende indicaties van depijpen goed te zien. Met het TUD225 systeem is de combisleuf goed te zien. Met hetTUD450 systeem zijn de afzonderlijke pijpen in de sleuf te onderscheiden. Er is tevens eengoed onderscheid te maken tussen de clutter en de doorlopende indicaties omdat de clutterzich anders manifesteert, en niet oplijnt.Kwantitatief is voor het TUD450 systeem de maximum onnauwkeurigheid in de diepterich-ting +/- 0,25 m. De gemiddelde onnauwkeurigheidin de diepterichting is +/- 0,1 m.
Multi-offset acquisitieHet acquireren van data met meerdere offsets 'langs de raai' geeft voor de experimenten metde combisleuf en het TUD225 systeem een visueel kleine verbetering van het resultaat tezien. Het is moeilijk om het verschil te kwantificeren. Het verschil tussen metingen gedaanop verschillende dagen en dus athankelijk toevallige veldomstandigheden (vergelijk deTUD225 resultaten van de twee meetdagen, figuur 19 en 20) is veel groter dan de verbete-ring die multi-offset acquisitie oplevert.
AanbevelingenDe processing volgorde zoals gebruikt voor de Gastec data is het meest aantrekkelijk. In eenoperationeel 3D-Grondradarsysteem dienen daarom de volgende stappen te wordendoorlopen:1. Pre-processing, bestaande uit bandfilteren, bepalen to, bepalen en toepassen optimale
tijdathankelijke versterking;2. Bepalen van alle looptijden in het model (eventueel tabel-gedreven, waarbij vooraf aile
3D-Iooptijden voor een bepaald object en ondergrond berekend zijn);3. Optimaal atbeelden (looptijdmigratie), eventueel iteratief door stap 2 en 3 een aantal
keren te herhalen met verschillende Er;4. Optimaal optellen van resultaten over meerdere offsets (indien aanwezig);5. Deconvolutie langs de diepte-as;6. 3D visualisatie, gebruikmakend van drempelen en geschikte kleurtabellen; in een
uiteindelijk interpretatiesysteem is het gewenst om een mogelijkheid te hebben om devisualisatie-drempel interactief bij te stellen zodat 3D- structuren snel en eenvoudig "ophet oog" zichtbaar gemaakt worden;
7. Object herkenning: automatisch herkennen van 3D-objecten en -structuren.
De benodigde rekentijd is direct gerelateerd aan de grootte van de dataset. Met de huidigeMatlab algoritmen is de rekentijd voor een 50 m lange raai of voor de 11 raaien van decombisleuf (beide ongeveer 500 traces) ongeveer 30-60 minuten, gebruikmakend van eenDEC-AXP 500 MHz werkstation. Er zijn diverse mogelijkheden om de rekentijd te vermin-deren, bijvoorbeeld door tabel-gedreven atbeelden zoals hierboven aangegeven. Een pro-bleem is de in het algemeen onbekende orientatie van de raai ten opzichte van bijvoorbeeldeen pijp in het horizontale vlak. In dit rapport is deze orientatie bij het berekenen van demodel-Iooptijden als voorkennis ingebracht. Als de orientatie niet bekend is, zal er meergerekend moeten worden. Als er bijvoorbeeld gezocht moet worden naar alle pijpen met eenorientatie tussen 0 en 90 graden ten opzichte van de raai met een stap van 10 graden, danmoet er circa 10 maal zoveel gerekend worden om de meest optimale atbeelding te vinden.Een ander aspect is de onbekende golfvoortplantingssnelheid in de ondergrond. Indien dezein het geheel niet bekend is, zal iteratief een beste schatting berekend moeten worden (met
57
HOOFDSTUK 6
CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN
6.1 Conclusies
1. Gedurende het project waarbij een ontwikkelversie voor een 3D-Grondradarsysteemwerd opgebouwd en beproefd is naar voren gekomen dat, met behoud van de oor-spronkelijke doelstellingen, zowel de hardware, de data-inwinning als de dataprocessinganders uitgevoerd zullen moeten worden dan oorspronkelijk voorzien. Op basis van dein dit rapport beschreven resultaten kan worden overgegaan tot de realisatie van eenprototype 3D-Grondradar. Voor de bouw van een prototype 3D-Grondradarsysteemmoeten nog wel enkele deelontwikkelingenworden uitgevoerd.
6.1.1 }{ard~are2. Voor een multi-offsetantenne systeem bleek geen goed werkend commercieel data-acqui-
sitiesysteem beschikbaar te zijn. Tijdens het onderzoek is gebleken dat een 3D-acquisitiegeometrie inderdaad essentieel is voor het verkrijgen van een direct inzichtelijk beeldvan de ondergrond. Een meerkanaals-acquisitiesysteem, waarbij op meerdere positiesgelijktijdig signalen worden ingewonnen, is evenwel niet beslist nodig, en mogelijk zelfsnauwelijks nuttig. Met een common-offset systeem wordt het merendeel van de benodig-de informatie verkregen. Het oorspronkelijk voorziene fysieke antennearray wordt we-zenlijk anders vormgegeven. De onderlinge antenne-afstand dient veel geringer te zijn.Dit kan door fysiek smallere antennes toe te passen, of met behulp van een systeemwaarbij antennes heen en weer kunnen schuiven, langs een rail, of hydraulisch gemanipu-leerd. Dit vergt nog een ontwikkelingsinspanning voor het werktuigkundig ontwerp.
3. Een punt van aandacht is de inkoppeling van het antennesignaal in de grond. Deze isbeter naarmate de afstand tussen antenne en grond kleiner is. In de huidige studie is aIleapparatuur 'volgens de gebruiksaanwijzing' ingezet. Bij een opzet ad 2. is dat niet ofslechts ten dele mogelijk. Geconstateerd is tevens dat het zendsignaal athangt van degrondeigenschappen ter plaatse van en vlak onder het maaiveld. Dit bevestigt het in hetbasisprojectplan genoemde belang van ontkoppeling van de antennes van toevalligemaaiveldomstandigheden met behoud van een goede inkoppeling in de grond door hetaanbrengen van een tussenlaag met geschikte elektrische parameters onder de antennes.
4. Om het 3D-Grondradarsysteem commercieel aantrekkelijk te laten, zijn dient de produc-tiesnelheid van het systeem voldoende groot te zijn. Gedacht moet worden aan eensnelheid van circa 5 km/uur. Het bemonsteren van de ondergrond (ca. 10 scans permeter in de dwars- en in de langsrichting) met een, eventueel twee, ontvangantennesstelt hoge eisen aan de snelheid van de data-acquisitie apparatuur. De inwinsnelheid vanbestaande radarsystemen is zodanig dat hieraan voldaan kan worden. In verband met degrote bewegingssnelheden die een mechanisch bewegend systeem moet volgen, verdienteen fysiek antenne-array de voorkeur waarbij alleen elektronisch 'bewogen' wordt.
5. De bundelhoek van de gebruikte antennes is een beperkende factor. Antennes met eenbrede bundel in de grond hebben een slechte afscherming naar boven, en genererendaarmee veel reflecties van gebouwen, lantaampalen, auto's en bomen. Door debeperkte bundelhoek ontstaat er een 'dode zone' nabij het maaiveld tussen de antennes.Door zowel de ontvangerposities als de zenderposities over het array te varieren wordt
59
de dode zone tot een minimum beperkt. Ook zou het interessant kunnen zijn een antennetoe te passen met een brede bundelhoek wanneer anderszins in de afscherming naarboven voorzien zou kunnen worden.
6. De signalen van de GSSI 300 MHz en de PulseEkko 200 MHz apparatuur zijn relatieflaagfrequent, een factor twee lager dan hun nominale waarde. De systemen zijn daaromminder geschikt voor het detecteren van objecten met een resolutie van 0,1 m in deondiepe ondergrond tot 2 m. De PulseEkko 225 MHz en 450 MHz apparaten hebbeneen frequentie die met de nominale waarde in overeenstemming is en zijn daarom betergeschikt om met hoge resolutie de eerste 2 m van de ondergrond te onderzoeken. Uit deproef met de stalen pijp op circa 1,5 m diepte kan geconc1udeerd worden dat inmoeilijke omstandigheden het 450 MHz systeem mogelijk tekort gaat schieten in degewenste diepte-penetratie van 2 m. De twee laatste systemen zijn afgeschermd, hetgeenproblemen met bovengrondse retlecties voorkomt.
7. Het acquireren van data met meerdere offsets 'langs de raai' laat voor de experimentenmet de combisleuf in de radargrammen visueel een kleine, maar duidelijk waarneembareverbetering van het resultaat zien. Het is moeilijk om het verschil te kwantificeren. Hetverschil tussen metingen gedaan op verschillende dagen (dus: het effect van toevalligeveldomstandigheden) is veel groter dan de verbetering die multi-offset acquisitieoplevert.
6.1.2 Dataprocessing8. Met betrekking tot het toepassen van seismische dataprocessingstechnieken op grondra-
dar-data conc1udeert het NITG- TNO-rapport [9] dat de winst die kan worden bereiktmet een aantal dataverwerkingsstappen in de retlectieseismiek niet kan worden gehaaldbij grondradardata. Verschillend met grondradar treedt bij seismische metingen veel om-zetting van golven in andere golftypen plaats. De ongewenste reflecties hiervan kunneneffectief worden onderdrukt door optellen van data van verschillende posities (stacken).Omdat deze golfconversies bij grondradar niet of veel minder optreden heeft stackenhier veel minder zin. Bij grondradardata is de bandbreedte smaller en de dynarniek ensignaal-ruis verhouding lager ten opzichte van seismische data. Daarbij bevinden de be-langrijkste ruisbronnen en de retlectiesignalen zich in hetzelfde frequentiebereik. Bij deseismiek heeft de ruis in veel gevallen een ander frequentiebereik dan het gezochte re-tlectiesignaal, waardoor met filteren een veel grotere winst kan worden behaald.
9. De common-shot-point-migratietechniek, die past bij de oorspronkelijke gedachte-opzetmet een zender en enkele vast geplaatste ontvangantennes geeft onbevredigende resulta-ten ten gevolge van de te kleine apertuur. Zowel in verband met de hanteerbaarheid vanhet apparaat, als met de beperkte penetratieafstand van grondradargolven in de grond, isdeze apertuur niet goed te vergroten. Ook om deze reden verdient de onder 2. aangege-yen hardwareconfiguratie de voorkeur.
10. De processing zoals in dit project ontwikkeld voor en toegepast op de Gastec data is eengoede bewerkingsmethode. Er wordt uitsluitend gebruik gemaakt van common-offsetsecties. De volgende stappen worden daarbij doorlopen:- pre-processing;- looptijdmigratie op basis van een model van het object;- optellen van resultaten over meerdere offsets (indien aanwezig);
60
- deconvolutie (indien noodzakelijk);- 3D visualisatie, gebruikmakend van (interactiet) drempelen;- (automatische) objectherkenning.
11. Bij de processingstappen ad 10. vormt de in het algemeen onbekende orientatie vanbijvoorbeeld de pijp ten opzichte van de raai een probleem. In dit rapport is dezeorientatie bij het berekenen van de model-looptijden als voorkennis ingebracht. Als deorientatie niet bekend is, za1 er meer gerekend moeten worden (tot een factor 10), maareen goede beginschatting door de operator uit de ruwe data kan dit beperken. Een anderaspect is de onbekende golfvoortplantingssnelheid in de ondergrond. Indien deze in hetgeheel niet bekend is, za1 iteratief een beste schatting berekend moeten worden (met alscriterium een maximaal scherpe atbeelding) of aan de hand van een object met een be-kende diepteligging worden gekalibreerd. Ook hier is de handmatige inbreng van eenoperator tijdens de (pre)processing wezenlijk om de rekentijden op een redelijk niveau tehouden. Omdat de 'brute force' methode niet haalbaar is, is een volledige automatischeprocessing op dit moment nog niet mogelijk. Een belangrijke rol wordt ook gespeelddoor een adequaat en reproduceerbaar vastleggen van het effectieve zendmoment (to) vande zender van het radarsysteem. Dit hangt nauw samen met de onder 3. genoemde con-clusie over de ontkoppeling van de antennes van toevallige maaiveldomstandigheden,waardoor de pulsvorm constanter blijft.
12. Bij het bepalen van de diepteligging van objecten is het vochtprofiel van de ondergrondeen belangrijk aspect. Toevallige omstandigheden als recente neerslag spelen hierbij eenbelangrijke rol. Tevens neemt in het algemeen het vochtgehalte toe met de diepte. Bij dedataprocessing moet rekening gehouden worden met de ruimtelijke verdeling van deradarsnelheid, en daarmee van het vochtgehalte.
13. Voor de dataprocessing met behulp van de beeldverwerking is het van belang omtypische reflectoren te kunnen herkennen, zodat aangegeven kan worden wat er in deondergrond aanwezig is. Met dit doel is het zinvol om een database met typischereflectoren aan te leggen. Deze kan dan tijdens de dataprocessing worden geraadpleegd.De database za1 dan niet alleen typische reflectiesterkten en looptijden van geometrischgeidealiseerde atbeeldingen dienen te bevatten, zoals vlakken, lijnen en punten, maarook van objecten en inhomogeniteiten.
6.1.3 Modellering14. Tijdens de interpretatie is naar voren gekomen dat er onvoldoende inzicht bestaat in de
typische reflectie-eigenschappen van een pijp (als functie van diameter, materiaal envulling), en van objecten in het algemeen. In het kader van een verdere automatiseringvan het verwerkingsproces ad 11. alsmede de onder 13. genoemde inventarisatie is dezekennis van belang.
15. De testmetingen zijn op verschillende dagen uitgevoerd, waarbij het vochtgehalte van deondergrond verschilde. In een vochtiger ondergrond is de golfvoortplantingssnelheid vande grondradarsignalen lager dan in een drogere ondergrond. Bij het bepalen van dediepteligging van objecten is het vochtprofiel van de ondergrond derhalve een belangrijkaspect. Ook voor het optreden van clutter is het vocht en met name de vochtverdelingeen belangrijk aspect. Bij de analyse van met name de 'vochtige' data blijkt dat deinterpretatie niet ruis-gelimiteerd (ruis afkomstig uit de elektronica of extern) is, maar
61
clutter-gelimiteerd (cluttersignalen ten gevolge van allerlei heterogeniteiten envochtverdeling in de ondergrond).
6.2 Aanbevelingen
16. Op basis van de resultaten in deze studie kan worden overgegaan tot het bouwen vaneen prototype 3D-Grondradarsysteem.
17. Het systeem heeft de volgende structuur:- de data-acquisitie geschiedt in 3D door een fysiek multi-antenne array of eventueel een
in de dwarsrichting bewegend antennepaar (zender + ontvanger) met een voertuiglangs een meetraai te bewegen;
- in eerste instantie wordt met een offset gewerkt; de mogelijkheid voor multi-offsetwordt opengehouden;
- de processing verloopt volgens het in deze studie uitgewerkte concept, met dienverstande dat een automatisch verlopende optimalisatie van de richting van de pijpenwordt toegevoegd.
18. In verband met het werktuigkundig ontwerp van het inwinsysteem alsmede het verderautomatiseren van de processing dient de koppeling van de antennes aan de ondergrondspeciale aandacht te krijgen. Aspecten zijn:
- de noodzakelijke en de gewenste minimum afstand tot het maaiveld;- het onafhankelijk maken van de maaiveldomstandigheden met behoud van de inkoppe-
ling in de grond door aanbrengen van een tussenlaag met de gewenste elektrischeeigenschappen;
- het vaststellen van de effectieve to.Samenwerking wordt gezocht met het lopende grondradarproject van STW aan de TVDelft waar ditzelfde aspect de aandacht heeft.
19. Eveneens in verband met verdere automatisering van de processing dient een model vanpijpen (als functie van diameter, materiaal, vulling, omgeving; en als functie van liggingin de grond) te worden opgezet. In tweede instantie dienen ook andere objecten (geloka-liseerde maar onregelmatig gevormde voorwerpen; grondslagwisselingen) gemodelleerdte worden alsmede ook onregelmatige 'voorwerpen' (heterogeniteiten) die aanleidingkunnen geven tot clutter.
20. Omdat in de praktijk clutter dikwijls de limiterende factor is bij de processing en inter-pretatie van grondradardata dient er meer inzicht in het verschijnsel te komen. Enerzijdsbetreft dit het begrip van de oorzaak(zaken) van clutter (sedimentaire structuren, vocht-verdeling, boomwortels en stenen), in de tweede plaats betreft dit de onder 19. genoem-de modelvorming van de radar-responsie op dit soort heterogeniteit. Met het te realise-ren prototype-systeem dient hieraan ook experimenteel onderzoek te worden gedaan.
62
LITERATVUR
1. Deen, J.K. van en J.W. de Feijter, Haalbaarheidsstudie nieuwe generatie grondradar,uitgevoerd in opdracht van het Ministerie van Economische Zaken en GrondmechanicaDelft, rapport GrondmechanicaDelft CO-323260/45,juli 1992.
2. Centrum Ondergronds Bouwen, Gouda, Basisprojectplan L 100, 19 januari 1996,Deelprojectplan L 110, 19 januari 1996.
3. Proceedings 6th International Conferenc on Ground Penetrating Radar (GPR'96),September 30 - October 3 Department Geoscience and Technology, Tohuku University,Sendai 980-77, Japan, 612 pp. ISBN 4-925056-01-8.
4. Jol, H.M., D.G. Smith en R.A. Meyers, Three-dimensional GPR Imaging of a Fan-Forest Delta, in GPR'96 [3], p. 33-37.
5. Overmeeren, R.O. van, Radar facies of unconsolidated sediments in the Netherlands inGPR'96 [3], p. 167-172.
6. Deen, J.K. van, Proefmetingen 3D-Grondradar nabij Ridderster (1997), GrondmechanicaDelft CO-367330/35.
7. Slob, E., Technische Universiteit Delft, Afdeling Mijnbouwkunde, persoonlijkemededeling.
8. Hopman, V., 3D-Grondradar, Proefveld DZH-terrein te Monster (1997), Grondme-chanica Delft, CO-367330/37.
9. Dalfsen, W. van, J.A.C. Meekes, Radargolven in grond, L 110 rapportage, NITG 97-152B, augustus1997.
63
Figuurnummer Bestandsnaam in directory "monster/rapportage"
7 mon29- ofl.mat. eps
8 mon29_ofly 1.mat. eps
9 picks29.eps
10 3dc1uster.eps
11 pijpdatasurf. eps
12 pijpmodelsurf. eps
Bestandsnaam in directory" gastec/ps _files -rapportage"
13.a langeJaaienlr02 _200- spect. ps
13.b langeJaaienlr 1_225-
spect.ps
13.c lange- raaienlr 1_300- spect.ps
13.d langeJaaienlr 1_450- spect. ps
13.e lange-
raaienlr 1- 450 _a _3- spect. ps
14.a combisleuf/r 16- 225RES6_0-5_1. ps
14.b combisleuf/r16 - 450RES6 _0-5_l.ps
15 lange_raaienlr2 _225- dc3_l.ps
16 lange-
raaienlr3-
225s-
dc3 _1. ps
17 lange- raaienlr3 -225srtuRES6 _40-50- dc3 _l.ps
18 langeJaaienlr1- 450_dc3_0.ps
19 combisleuf/r21- 225- dc3_1. ps
20 combisleuf/r21- 225s- dc3_1. ps
21 combisleuf/r21- 225srtuRES6 _0-6- dc3_1. ps
22 combisleuf/r21- 450- dc3_0. ps
23 combisleuf/r21- 225_1- 3D 1_25.ps
24.a combisleuf/r21- 225_1_3D1_35.ps
24.b combisleuf/r21- 225_1- 3D2_35. ps
25 combisleuf/r21- 450_0_3D 1- 25.ps
26.a combisleuf/r21- 450_0_3D1_50.ps
26.b combisleuf/r21- 450_0_3D2_50.ps
BULAGE Al
Herleidingstabel figuren en bestanden
64
BULAGE A2
Eindnoten; verwijzingen naar programma's
De eindnoten in het rapport verwijzen naar de volgende (programma- )bestanden:
1 monster/sethdr, Unix script welke SU routines aanroept.2 monster/proc.m, monster/procall.m verwerkt alle shotrecords t/m 3D clusteren.3 monster/cluster.m, doet ook statics correctie.4 monster/cluster 3D.m, voor visualisatie: monster/plot3Dcluster.m.5 monster/fitpoints.m, inclusief 3D visualisatie eindresultaat.6 gastec/segy2su Unix script, aangeroepen vanuit Matlab met gastec/convertAlIFiles.m en
gastec/ convertTUD2 .m.7 gastec/plotspect2.m.8 gastec/proces.m, hoofdroutine, stelt parameters in voor subroutines.9 gastec/preproc.m.10 gastec/fitmodellD.m.1\ gastec/stack.m voor combisleuf, gastec/stackr3.m voor lange raai.12 gastec/plotresult.m.13 gastec/deconl.m, gastec/decon3.m.14 zie postscript bestanden in "TUD" directory met "RES6" en/of "dc3" in de
bestandsnaam, deze zijn het meest actueel.
65
