In Situ Time Calibration for Stationary Multichannel GPR Monitoring Systems
Eine hochentwickelte und umfassende Verarbeitung von Bodenradardaten, wie sie beispielsweise für die Anwendung von Vollewellenform-Inversionsverfahren erforderlich ist, bedingt eine präzise zeitliche Kalibrierung des Systems. Üblicherweise erfolgt die Kalibrierung von Bodenradarsystemen mithilfe eines bekannten Mediums, das zwischen den Sende- und Empfangsantennen platziert wird. Dabei wird die gemessene Zeitdifferenz zwischen den erwarteten und tatsächlichen Signalankunftszeiten, bezeichnet als Nullzeit, als systembedingte Zeitverzögerung berücksichtigt. In Fällen, in denen die Antennen zu Überwachungszwecken dauerhaft um Bodenproben positioniert werden, erfordert die Kalibrierung zeitaufwendige zusätzliche Messungen, da Teile des Systems von der Bodenprobe entfernt werden müssen. Für ein neuartiges GPR-System mit etwa 2500 Antennen gestaltet sich dieses Vorgehen als nicht praktikabel. Daher sind innovative Kalibrierungsmethoden für stationäre GPR-Mehrkanalsysteme notwendig, um die zeitlichen Veränderungen der Nullzeit zu erfassen, die durch Hardwareinstabilitäten, Alterung der Komponenten und Temperaturabhängigkeiten verursacht werden. In dieser Arbeit werden neuartige Kalibrierungsansätze vorgestellt, die sowohl die Reziprozität elektromagnetischer Wellen als auch interne Signalreflexionen im Messsystem nutzen, um die systemspezizsche Zeitverzögerung zu ermitteln, ohne dass das Medium zwischen den Antennen bekannt sein muss. Die Abstraktion des GPR-Systems wird schrittweise angepasst, um die grundlegenden Elemente der Kalibrierung herzuleiten. Zuerst wird mithilfe einer numerischen Simulation das Potenzial von kombinierten reziproken Messungen aufgezeigt, die zufällige Messfehler erheblich reduzieren können. Daraufhin wird demonstriert, dass parasitäre Reflexionen und gekoppelte Signale innerhalb des GPR-Systems für eine vollständige In-situ-Kalibrierung notwendig sind. Der abschließend vorgestellte Ansatz ist dazu in der Lage, Unterschiede in der Hardware zu erkennen und zu korrigieren sowie zeitliche Änderungen der Nullzeit während der Experimente auszugleichen. Zunächst wird dieser Ansatz an einem Minimalbeispiel getestet, das den analogen Signalpfad bis zur Antenne beinhaltet. Diese Versuche zeigen, dass die Methode Fehler in der Nullzeit auf unter 25 ps reduzieren kann, wobei die hauptsächliche Fehlerquelle in den Dertigungsabweichungen der Hardwarekomponenten liegt. Anschließend erfolgt die Evaluierung des Ansatzes anhand eines Prototypen des GPR-Systems. Dieser Prototyp beinhaltet alle essenziellen Komponenten wie Triggerleitungen, FPGAs, Signalgeneratoren und Datenerfassungseinheiten. Durch die Resynchronisation des GPR-Systems treten größere Zeitabweichungen von bis zu 3 ns in den Nullzeiten auf, die mithilfe der In-situ-Kalibrierung korrigiert werden können. Zur Evaluierung wird die In-situ-Kalibration mit dem Standardverfahren zur Kalibration verglichen und weißt dabei einen maximalen Fehler von 4 ps auf. Der vorgestellte Ansatz zeichnet sich dadurch aus, dass keine zusätzlichen Kalibrierungseinstellungen oder Messungen erforderlich sind, da sämtliche benötigten Daten während des operativen Betriebs der Bodenmessungen erfasst werden können.
Advanced and extensive processing of ground penetrating radar (GPR) data, for example needed for full-waveform inversion approaches, requires a reliable temporal calibration of the system. Usually, the calibration of GPR systems is performed with a known medium between transmitting and receiving antennas. Thereby, the observed time difference between expected and measured signal arrival times, termed as time-zero, can be accounted for as a system specic time delay. For measurement congurations where the antennas are permanently positioned around soil samples for monitoring purposes, time-consuming additional measurements would be required where parts of the system need to be removed from the soil sample. For a novel custom GPR monitoring system with about 2500 antennas, this is not feasible. Therefore, novel calibration methods for stationary multichannel monitoring systems are required to capture the temporal drift of time-zero caused by hardware instabilities, hardware aging and temperature dependencies. In this work, novel calibration approaches are presented that make use of both the reciprocity of electromagnetic waves inside the soil and internal signal reections in the measurement system to derive the system specic time delay without the necessity of knowing the medium between the antennas. The complexity of the system is increased step by step to derive the essential elements of the calibration. First, a numerical simulation is used to show the potential of superpositioned reciprocal measurements which signicantly reduce random measurement errors. Afterwards, it is demonstrated that parasitic reections and coupling signals within the monitoring system are necessary for a complete in situ calibration. The nal presented approach is capable of identifying and correcting for dierences in the hardware, while also correcting temporal changes of time-zero during experiments. First, the presented approach is tested on a minimal working example that incorporates the analog signal path up to the antenna. These measurements show that the method is capable to reduce the error of time-zero to below 25 ps and that the largest source of error are fabrication dierences of the hardware. Subsequently, the method is evaluated on a prototype of the monitoring system. The prototype contains all key components including trigger lines, FPGAs and converters. Due to the resynchronisation of the GPR system, larger time deviations of up to 3 ns occur in the time-zeros, which can be corrected with the in situ calibration. For evaluation, the in situ calibration is compared with the standard calibration procedure and yields a maximum error of 4 ps. The presented approach is characterized by requiring no additional calibration setups or measurements since all the necessary data can be acquired during normal operation of soil measurements.
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