ESTIMATING DIELECTRIC PERMITTIVITY AND ELECTRIC CONDUCTIVITY FROM SIMULATED MULTICHANNEL GPR PULSES USING ACO AND QUASI-NEWTON INVERSION TECHNIQUES

Abstract

ABSTRACT. Inversion of synthetic ground-penetrating radar data to estimate both dielectric permittivity (ε) and electric conductivity (σ) properties simultaneouslyis presented in this paper. The synthetic Ground-Penetrating Radar (GPR) data was generated by the propagation of a one-dimensional electromagnetic wave (1-D EMwave) through a given geological model. The simulated EM trace was modeled by Finite Difference Time Domain method (FDTD) for three different frequencies (f):800, 1000 and 1200 MHz. Random noise was also introduced to evaluate inversion algorithm performance. The inversion of GPR data was performed by Ant ColonyOptimization (ACO) and Quasi-Newton (QN) techniques. A modified ACO technique was applied to approximate conductivity for deepest positions, and to increase theaccuracy and convergence along lower positions. The inversion techniques were able to estimate simultaneously the dielectric permittivity and electric conductivity fromsynthetic multi-frequency GPR data. The estimated electrical parameters can be used to derive a set of physical properties and to develop a better understanding of theunderground geological or geotechnical media.

Keywords: ground-penetrating radar, inversion of GPR data, Ant Colony Optimization, Quasi-Newton technique.

RESUMO. Neste artigo apresenta-se o registro das ondas eletromagnéticas refletidas (dados sintéticos) e o uso deste registro em algoritmos de inversão que procuramestimar simultaneamente as propriedades permissividade elétrica (ε) e condutividade elétrica (σ). Os dados GPR sintéticos foram gerados pela propagação da onda unidimensional através de um determinado modelo geológico. O traço da onda eletromagnética (OEM) simulado foi modelado pelo método das diferenças finitasno domínio do tempo (FDTD) para três diferentes frequências (f): 800, 1000 e 1200 MHz. Os ruídos randômicos foram introduzidos para verificar a performance doalgoritmo de inversão. Os dados de inversão GPR (permissividade dielétrica e condutividade elétrica) foram obtidos pelos métodosAnt Colony Optimization (Otimização da Colônia de Formigas) (ACO) e Quasi-Newton (QN). O método ACO modificado foi aplicado para aproximar a condutividade em posições mais profundas e aumentara precisão e a convergência ao longo da profundidade. Os métodos de inversão foram capazes de estimar simultaneamente duas propriedades do modelo geológico:a permissividade elétrica e a condutividade elétrica para levantamentos georradar multicanais. Os parâmetros elétricos estimados podem ser usados para derivar umconjunto de propriedades físicas e melhorar a compreensão dos meios geológico-geotécnicos em subsolo.

Palavras-chave: radar de penetração no solo, inversão de dados GPR, Otimização da Colônia de Formigas, método Quasi-Newton.