Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7176
Main Title: On the frequency-dependence of electrical soil properties and their influence on ground-penetrating radar
Translated Title: Über die Frequenzabhängigkeit elektrischer Bodeneigenschaften und ihr Einfluss auf das Bodenradar
Author(s): Loewer, Markus
Advisor(s): Igel, Jan
Referee(s): Krawczyk, Charlotte
Börner, Frank
Tronicke, Jens
Igel, Jan
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Ground-Penetrating Radar (GPR) is sensitive to changes of electrical soil properties. These properties can become strongly frequency-dependent, even so they are considered constant in many applications. Analysis of radargrams provided evidence that radar waves propagating in moist loamy and clayey soils underlie strong absorption and dispersion effects. The energy absorption together with the wavelet distortion can reach a degree that even shallow buried objects, as for instance in case of landmine or utility detection, cannot be detected by GPR. In this context, the question on the physical origin and extent of individual dielectric relaxation and conduction mechanisms arose and how they affect GPR. Furthermore, the demand for a prognosis facility emerged to predict the GPR performance with respect to the soil. As the topic has barely been analyzed in the past, the study aims to fill this gap using a combination of field measurements, extensive laboratory investigations and numerical simulations with a variety of soils. To address the causes of absorption and dispersion, electrical properties of soils in the GPR frequency range were analyzed using dielectric spectroscopy. The different electrical loss-mechanisms were separated from each other by fitting a generalized dielectric response model to the data. The very broadband distribution of low-frequency relaxations showed severe impact on GPR especially in moist clayey soils. In order to resolve the relaxation parameters of these processes, the high-frequency dielectric spectroscopy data were combined with low frequency Spectral Induced Polarization (SIP). A combined permittivity and conductivity model (CPCM) was developed that enables to accurately explain the extraordinary large spectrum. Based on dielectric spectroscopy data of the soils, an extensive GPR simulation study was carried out. The measured frequency-dependent electrical soil properties were incorporated into a FDTD code using a multi-relaxation term decomposition. The simulations showed that in dispersive soils a precise description of the electrical soil parameters is essential in order to produce realistic results. Simplified assumptions can only be made for sandy soils. As a practical result of this thesis, a method is presented that enables to predict the GPR performance in the field using a conventional moisture sensor. The method is based on the time-domain reflectometry (TDR) principle and incorporates not only losses due to the dc-conductivity, but also dielectric relaxation losses in the soil.
Das Georadar (GPR) ist sensitiv gegenüber Änderungen der elektrischen Bodeneigenschaften. Hierbei können diese Eigenschaften stark von der Frequenz abhängen, obwohl sie bei vielen Anwendungen als konstant angenommen werden. Bei der Auswertung von Radargrammen konnte nachgewiesen werden, dass die Ausbreitung von Radarwellen in feuchten, tonhaltigen und schluffigen Böden starken Absorptions- und Dispersionseffekten unterliegt. Die Energieabsorption in Verbindung mit der Verzerrung des Nutzsignals kann dabei so stark werden, dass selbst oberflächennah vergrabene Objekte, wie zum Beispiel im Falle der Detektion von Landminen- oder von Versorgungsleitungen, mit Hilfe des GPRs nicht mehr detektiert werden können. In diesem Zusammenhang kommt die Frage über den physikalischen Ursprung und das Ausmaß der einzelnen dielektrischen Relaxations- und elektrischen Leitungsmechanismen auf und in wieweit diese das GPR beeinflussen. Zusätzlich besteht der Bedarf einer Prognosemöglichkeit, um die GPR Performance in Abhängigkeit vom Boden zu beurteilen. Da dieses Gebiet in der Vergangenheit nur unzureichend analysiert wurde, versucht diese Arbeit dazu beizutragen, die Lücke durch eine Kombination aus Feldmessungen, umfangreichen Labormessungen und numerischen Simulationen an einer Vielzahl von Böden zu schließen. Um den Ursachen der Absorption und Dispersion auf den Grund zu gehen, wurden die elektrischen Eigenschaften von Böden mit Hilfe der dielektrischen Spektroskopie im Frequenzbereich des GPRs untersucht. Durch Anpassen eines generalisierten dielektrischen Antwortmodells an die Daten konnten die unterschiedlichen elektrischen Verlustmechanismen voneinander getrennt werden. Die sehr breitbandige Verteilung niederfrequenter Relaxationen zeigte speziell bei feuchten und tonhaltigen Böden einen starken Einfluß auf die GPR Performance. Um die Relaxationsparameter dieser Prozesse näher aufzulösen, wurden die hochfrequenten Daten der dielektrischen Spektroskopie mit niederfrequenten Messungen der Spektralen Induzierten Polarisation (SIP) kombiniert. Ein kombiniertes Permittivitäts- und Leitfähigkeitsmodel (CPCM) wurde entwickelt, welches ermöglicht, das außergewöhnlich große Spektrum präzise zu beschreiben. Basierend auf der dielektrischen Spektroskopie der Böden, wurde eine umfassende Studie mit GPR Simulationen durchgeführt. Die frequenzabhängigen elektrischen Bodeneigenschaften wurden mit Hilfe einer Zerlegung in Multi-Relaxationsterme in einem FDTD Code berücksichtigt. Die Simulationen deuten darauf hin, dass in dispersiven Böden eine genaue Beschreibung der elektrischen Bodenparameter unumgänglich ist, um realistische Ergebnisse zu erhalten. Vereinfachte Annahmen können lediglich für sandige Böden getroffen werden. Als praktisches Resultat stellt diese Arbeit ein Verfahren vor, welches die Vorhersage der GPR Performance mit Hilfe eines konventionellen Feuchtigkeitssensors im Feld erlaubt. Die Methode basiert auf dem Prinzip der Zeitbereichs-Reflektometrie (TDR) und bezieht nicht nur Gleichstromverluste, sondern ebenso Verluste aufgrund dielektrischer Relaxationen im Boden mit ein.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/8013
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7176
Exam Date: 5-Jun-2018
Issue Date: 2018
Date Available: 12-Jul-2018
DDC Class: 621 Angewandte Physik
550 Geowissenschaften, Geologie
Subject(s): dielectric permittivity
spectroscopy
soil
ground-penetrating radar
attenuation
dispersion
electrical conductivity
coaxial transmission line
time-domain reflectometry
dielektrische Permittivität
Spektroskopie
Boden
Dämpfung
Dispersion
elektrische Leitfähigkeit
Zeitbereichsreflektometrie
License: http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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