Electromagnetic wave propagation modeling of crosshole ground-penetrating radar

Abstract

지중레이다탐사는 고분해능으로 지하를 영상화하는 효과적인 수단이지만 이와 관련된 고주파수 전자기파의 전파 현상은 복잡하다. 이러한 물리과정을 보다 잘 이해하기 위해서 본 연구에서는 2차원 원통좌표계 맥스웰방적식의 시간영역 유한차분 해를 이용하여 시추공간 레이다탐사에서의 전자기파 전파형을 효율적으로 모델링 하고 원통좌표계는 전자기파 파동장의 기하학적인 3차원 확산을 정확하게 계산할 수 있으며, 특히 작은 크기의 송신 시추공을 효과적으로 이산화 할 수 있다. 시추공간 레이다 탐사에서 송신 시추공이 전자기파의 전파에 미치는 영향을 확인하기 위해서 전자기 가이드파의 수치모델링을 실시하였다. 그 결과, 물로 채워진 시추공은 강한 도파관 효과를 일으킬 수 있으며, 이 도파관 효과는 시추공의 크기, 안테나의 길이 및 송신 신호의 형태에 의존하는 여러 가지 모드로 구성되어 있음을 확인하였다. 불포화대에서 포화과정을 모니터링하기 위해서 일본의 나가오카시에서 인공지하수 함량시험을 실시하여 시간경과에 따른 레이다탐사 자료를 수집하였다. 그리고 위의 시간영역 유한차분 모델링을 이용하여 포화과정 동안 침윤면의 진행과 관련되는 레이다 기록을 모사하였다. 불포화대에서 전자기파 속도는 함수율의 변화에 따라 크게 영향을 받기 때문에, 주시의 증가는 포화도의 증가로 해석된다. 토양의 함수율 분포를 정확하게 결정하기 위해서 우선 정확한 속도 분석이 수행되어야 하며, 이는 주시단면도 상에서 초동 임계굴절파의 확인을 필요로 한다. 모든 초동을 직접파로 가정하고 해석하는 일반적인 zero-offset profiling 해석방법은 전이대에서 함수율의 과소평가로 나타났다.

High-frequency electromagnetic (EM) wave propagation associated with borehole ground-penetrating radar (GPR) is complicated phenomena. To improve the understanding of governing physical processes, we employ a finite-difference time-domain (FDTD) solution of Maxwell？s equations in cylindrical coordinates. This approach allows us to model the full EM wavefield associated with crosshole GPR surveys. Furthermore, the use of cylindrical coordinates is computationally efficient, correctly emulates the three-dimensional geometrical spreading characteristics of the wavefield, and is an effective way to discretize explicitly small-diameter boreholes. Numerical experiments show that the existence of a water-filled borehole can give rise to strong waveguide effect which gives affect on the transmitted waveform, and that the excitation of the waveguide effect depends on the diameter of the borehole and the length of the antenna. An artificial groundwater recharge test was conducted in Nagaoka City in Japan, and time-lapse crosshole GPR data were collected to monitor the infiltration process in a vadose zone. The infiltration process is clearly observed as a variation of EM wave velocities, which can be transformed into dielectric constants and further converted to water contents. An increase in traveltimes can be attributed to an increase in water saturation. Interpretation of experimental results was guided by the FDTD method for two-dimensional cylindrical coordinates to simulate radargrams associated with the advance of a wetting front during the filtration process. To accurately determine the water content profile, correct velocity analysis requires identification of first-arriving critically refracted waves from the traveltime profile. The standard ZOP for which all first arrivals are assumed to be direct waves, results in 4.5 - 16 % underestimation of water content in a transition zone.