Cyfrowe przetwarzanie danych GPR

Wyniki badań georadarowych poddawane były standardowemu przetwarzaniu z wykorzystaniem oprogramowania ReflexW, niemieckiej firmy SandmeierGeo (www.sandmeiergeo.de). W dalszej części rozdziału wymieniono i opisano pokrótce te procedury, które stosowano do przetwarzania radargramów, a ponieważ były to w większości procedury standardowe, dlatego pominięto dokładne opisy algorytmów tych procedur. Podstawy teoretyczne jak i opisy stosowanych algorytmów oraz wyjaśnienia dotyczące sposobu doboru parametrów dla poszczególnych procedur przetwarzania można znaleźć w publikacjach z zakresu cyfrowego przetwarzania danych sejsmicznych i georadarowych, m.in. Yilmaz (1994), Kasina (1998), Annan (1999), Karczewski i in. (2011), Gołębiowski (2012), ReflexW (2018). Przy opisie procedur przetwarzania korzystano z wymienionych pozycji literaturowych.

Na radargramie zapisanym na dysku laptopa podczas badań georadarowych pierwszą zarejestrowaną falą jest tzw. bezpośrednia fala powietrzna (BFP), która ma zawsze największe amplitudy i stałą charakterystykę; dlatego, też radargramy zamieszczone w pracy przedstawiono w formie rozkładu amplitud znormalizowanych do max. amplitudy BFP; taka forma wizualizacji pozwala na prezentację amplitud w skali od 0 do 1, co daje możliwość analizy porównawczej radargramów i przeprowadzenie interpelacji jakościowej. Kolejną falą rejestrowaną na radargramie jest bezpośrednia fala gruntowa (BFG), która w badaniach zero-offsetowych i krótko-offsetowych nie jest interpretowana. Na większych czasach na radargramie rejestrowały się fale odbite, które były analizowane w doktoracie.

Pierwszą procedurą, którą stosowano w przetwarzaniu radargramów była korekcja czasu t0.

Czas pierwszego wstąpienia BFP może znajdować się na dowolnej pozycji czasowej, ponieważ jest to wartość definiowana przez operatora na etapie akwizycji danych. Aby poprawnie interpretować położenie czasowe (głębokościowe) anomalii na echogramie należało wprowadzić korektę czasu pierwszego wstąpienia BFP (t0). Wszystkie pomiary prowadzone były po płaskiej powierzchni wyrobisk/otworów, w standardzie krótko-offsetowym, dlatego korekcję czasu t0

można utożsamiać z poprawką statyczną. Płaskie powierzchnie badań wyeliminowały potrzebę stosowania poprawki topograficznej.

Kolejną procedurą przetwarzania było usuwanie i interpolacja próbek i tras. Z powodu niestabilności aparatury lub przy pojawieniu się zakłóceń zewnętrznych, niektóre próbki lub całe trasy zarejestrowane były z przesterowaniem lub przyjmowały wartość zero. Błędne próbki i trasy

Strona | 30

usuwano, a w miejsce usuniętej próbki lub trasy wprowadzano próbkę lub trasę wygenerowaną poprzez interpolację amplitud z sąsiednich próbek i tras. W przypadku pojawienia się zakłóceń na dużej ilości tras lub próbek usuwano taki fragment echogramu, zastępując go trasami zerowymi (tzn. o zerowych wartościach amplitud).

W przetwarzaniu zastosowano również próg dyskryminacji amplitud, poprzez zdefiniowanie amplitudy odcięcia, poniżej której wszystkie amplitudy na trasach mnożone były przez 0, a powyżej tej wartości przez 1. Procedura służyła do wsuwania losowego, niskoamplitudowego szumu pochodzenia aparaturowego i od małych niejednorodności występujących w ośrodku geologicznym.

W celu usuwania zakłóceń niskoczęstotliwościowych na poszczególnych trasach (procedura 1D), zastosowano odejmowanie średniej ruchomej.

Kolejną procedurą przetwarzania było uśrednianie średniej ruchomej na poszczególnych trasach (również procedura 1D). W zależności od typu zakłóceń występujących na radargramach, uśrednianie wartości amplitud wykonywane było jako średnia arytmetyczna, co w efekcie usuwało szum wysokoczęstotliwościowy (odpowiednik filtracji dolnoprzepustowej w domenie czasu) lub jako mediana, która usuwała pikowe wartości amplitud (tzw. spike) z kolejnych tras.

W celu wyeliminowania efektu konwersji analogowo-cyfrowej, który powoduje przesuniecie sygnału w stosunku do linii zerowej, użyto procedurę usuwania przesunięć stałoprądowych.

W zależności od rodzaju zakłóceń pojawiających się na radargramach stosowano filtrację częstotliwościową realizowaną jako filtry dolno- lub górno- lub pasmowo-przepustowe lub jako filtr wycięciowy. Uśrednione okno filtracji, definiowano przez dolny próg obcięcia, dolny punkt plateau, górny punkt plateau oraz górny punkt obcięcia, a punkty te określano na podstawie analizy widm amplitudowych poszczególnych tras z radargramu; widma sygnałów wyznaczano z szybkiej transformaty Fouriera (FFT).

Jedną z procedur przetwarzania 2D było wygładzanie macierzowe radargramów z zastosowaniem wartości średniej lub mediany. Procedurę tą stosowano dla zwiększania czytelności skorelowanych refleksów oraz w celu usunięcia szumu losowego, zwłaszcza w końcowej części okna czasowego.

Kolejną procedurą przetwarzania 2D było odejmowanie trasy średniej. Ponieważ trasa średnia zawierała przede wszystkim informacje o zakłóceniach skorelowanych pomiędzy trasami, z niewielkim udziałem informacji o zakłóceniach losowych, dlatego odjęcie trasy średniej od

Strona | 31

kolejnych tras na radargramie powodowało usunięcie efektu tzw. ringing, będące wynikiem wysokiej przewodności elektrycznej ośrodka.

W celu skompensowania zmniejszania się amplitud refleksów dla wzrastających czasów rejestracji, co wynika z efektu rozwierania sferycznego czoła fali i z tłumienia ośrodka, stosowano wzmocnienia funkcyjne. W procedurze tej kolejne próbki sygnału wzmacniane były zgodnie ze zmienną w czasie funkcją wzmocnienia, która składa się z części liniowej (dla rekompensacji rozwierania sferycznego) oraz części eksponencjalnej (dla rekompensacji tłumienia ośrodka).

W wybranych przepadkach, zamiast klasycznych echogramów w formie rozkładu amplitud refleksów, wyniki prezentowano w formie rozkładu amplitud chwilowych refleksów wyznaczonych z transformaty Hilberta (Yilmaz 1994). W takich sytuacjach do pakietu opisanych technik standardowego przetwarzania radargramów dołożono dwie procedury, tj.: wybielanie spektralne oraz filtrację morfologiczną.

Wybielanie spektralne to procedura stosowana w celu kompensacji tłumienia różnych częstotliwości dla wzrastających czasów (głębokości). Procedura powodowała wygładzenie widma w zdefiniowanym zakresie częstotliwości, zwiększała rozdzielczość zapisu oraz pozwalała na częściowe odwzorowanie sygnału źródłowego (tzw. wavelet’u).

Filtracja morfologiczna to procedura stosowana standardowo w analizie obrazów cyfrowych (Tadeusiewicz i Korohoda 1997). W filtracji morfologicznej definiuje się tzw. element strukturalny obrazu (w naszym przypadku cyfrowego radargramu) z punktem centralnym. Filtracja polega na przemieszczaniu elementu strukturalnego po całym obrazie (radargramie) i dla każdego punktu obrazu i jego otoczenia dokonywane jest porównanie z wzorcowym elementem strukturalnym. W przypadku spełnienia założonego kryterium zgodności fragmentu obrazu z elementem strukturalnym, następuje wykonanie pewnej operacji na badanym punkcie centralnym. W programie ReflexW dostępnymi operacjami były dylatacja i erozja. Operacja dylatacji powoduje wizualne zwiększenie anomalii na echogramie poprzez dopasowanie odpowiedniej obwiedni do strefy anomalnej i jej najbliższego otoczenia. Operacja erozji obrazu daje wizualny efekt odwrotny do filtru dylatacyjnego, powodując zawężanie rozmiarów anomalii, poprzez okonturowanie tylko najsilniejszych amplitud w anomalii.

Na radargramach nie stosowano procedur migracyjnych, ponieważ dużo łatwiej było interpretować położenie oraz typ anomalii na podstawie czytelnej hiperboli, niż na podstawie punktu powstałego z hiperboli po migracji. Poza tym, jedną z technik w krótko-offsetowym

Strona | 32

profilowaniu refleksyjnym, która pozwala określić prędkość fali e-m w badanym ośrodku i dalej przeprowadzić konwersję czasowo-głębokościową radargramów, jest technika analizy krzywizn hiperbol dyfrakcyjnych. Szczegółowy opis techniki dopasowania (analizy) hiperbol teoretycznych do hiperbol dyfrakcyjnych zarejestrowanych na radargramie można znaleźć w publikacjach Karczewski i in. (2011), Annan (2001), Jol (2009), Gołębiowski i Małysa (2018).

Istnieją również dwie inne, proste techniki oszacowania prędkości, które można zastosować w badania krótko-offsetowych, jeśli nie rejestrują się na radargramach hiperbole dyfrakcyjne. Pierwsza technika polega na zlokalizowaniu na radargramie anomalii, której powodem jest obiekt znajdujący się na znanej nam głębokości; wówczas odczytując czas, na którym rejestrują się refleksy od tego obiektu, można obliczyć prędkość fali e-m. Drugim sposobem, jest korzystanie z dostępnych danych literaturowych, gdzie prędkość propagacji fali e-m została wyznaczona laboratoryjnie na próbkach skał/gruntów; należy jednak pamiętać, że są to wartości uśrednione dla wielu próbek pobranych z różnych miejsc i w konkretnych warunkach geologicznych, prędkość w badanym ośrodku może odbiegać od danych tabelarycznych.

Aby pokazać, jak zmienia się czytelność i ekstrakcja informacji z radargramu po zastosowaniu standardowego przetwarzania (w programie ReflexW), na Fig. 3.11 pokazano przykładowy radargram przed (Fig. 3.11A) i po (Fig. 3.11B) przetwarzaniu.

A

B

Strona | 33