تعيين پارامتر‌هاي هندسي اهداف استوانه اي پنهان در تصاوير GPR با استفاده از الگوريتم بهينه سازي تجمع ذرات (PSO)

Identification of the geometrical parameters of cylindrical targets hidden in GPR images using particle swarm optimization (PSO) algorithm

روش ژئوفيزيكي رادار نفوذي به زمين (GPR) با ارسال امواج الكترومغناطيسي در محدوده فركانسي يك مگاهرتز تا بيش از يك گيگاهرتز به درون زمين و دريافت امواج بازتابي اهداف مدفون، قادر به آشكارسازي و شناسايي اهداف به ويژه استوانه‌هاي مدفون در اعماق كم، بدون ايجاد شكستگي و تخريب در محيط مي‌باشد. در پژوهش حاضر از اين روش براي شناسايي پارامترهاي هندسي عمق دفن و شعاع اهداف استوانه‌اي مدفون، از طريق روابط رياضي موجود بين اين پارامترها و پارامترهاي هذلولي پاسخ GPR، به كمك الگوريتم بهينه‌سازي تجمع ذرات (PSO) استفاده شده است. براي اين منظور ابتدا مدلسازي پيشرو داده‌هاي GPR با استفاده از روش تفاضل محدود دوبعدي حوزه زمان (FDTD) به كمك نرم‌افزار GPRMAX براي تعداد زيادي از مدل‌هاي مصنوعي متناظر با اهداف متداول در كاربردهاي ژئوتكنيكي و شناسايي ساختارها و تاسيسات زيرسطحي استوانه‌اي انجام شد. در اين پژوهش همچنين برداشت-هاي ميداني متعددي در محوطه دانشگاه صنعتي اصفهان بر روي اهداف استوانه‌اي شكل مدفون از پيش شناخته شده، انجام شد و پاسخ GPR آن‌ها بعد از اعمال توالي‌هاي پردازشي مختلف، مورد بررسي قرار گرفت. به‌منظور استخراج پارامترهاي هندسي اهداف استوانه‌اي مدفون در مدل‌هاي مصنوعي و برداشت‌هاي واقعي، از الگوريتم PSO در محيط نرم‌افزار MATLAB استفاده شد. عملكرد الگوريتم براي تعداد 7 مدل مصنوعي توليد شده شامل اهداف استوانه‌اي با جنس‌ها، شعاع‌ها و عمق دفن‌هاي مختلف و نيز نگاشت‌هاي راداري واقعي GPR پروفيل‌هاي برداشت شده در محوطه دانشگاه صنعتي اصفهان، مورد آزمايش و ارزيابي قرار گرفت كه براي مدل‌هاي مصنوعي نتايج مطلوب و در مورد تصاوير واقعي، نتايج قابل قبولي حاصل نمود.

The geophysical ground-penetrating radar (GPR) method is able to detect and identify shallow buried targets especially cylindrical type without any destruction of the medium. GPR method is based on sending the electromagnetic waves generally in the range of 1 MHz up to 1 GHz frequency into the earth and receiving reflected off various buried targets. In present research, this method has been used to identify geometrical parameters of buried cylindrical targets containing burial depth and radius. This task was done through the mathematical relationships between geometrical parameters of cylindrical targets with their GPR hyperbolic response using the particle swarm optimization algorithm (PSO). To achieve this goal first, forward modeling of GPR data by 2-D finite-difference time-domain (FDTD) method using GPRMAX was performed for several synthetic models corresponding to common targets in geotechnical applications and subsurface cylindrical installations. Also in the research, several field surveys were carried out over the well-known buried cylindrical targets in Isfahan University of Technology campus, moreover their GPR response was investigated after employing different processing sequences. In order to extract the geometrical parameters of the buried cylindrical targets in synthetic models and real surveys, the PSO algorithm was used in MATLAB environment. The algorithm performance for 7 produced synthetic models, including cylindrical targets made by different materials, radii and burial depth, as well as the real radargrams of GPR profiles in Isfahan University of Technology campus was verified leading to favorite and reasonable results for the synthetic models and real radargrams, respectively.