Untersuchungen von Attributen zur Charakterisierung von Reflexionen untertägiger Radarmessungen

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1 4. Fachgespräch Geophysik und Barrieresysteme Leipzig, 8. März 2007 Untersuchungen von Attributen zur Charakterisierung von Reflexionen untertägiger Radarmessungen Gundelach V., Eisenburger D. Einleitung zu räumlichen EMR Messungen untertage Radargramme von einer Strecke im Salz Signalerkennung durch Neuronale Netze Attribute von Radarsignalen Zusammenfassung und Ausblick

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3 EMR Messungen untertage werden aufgrund der besonderen Anforderungen räumlich angelegt und ausgewertet. Häufig finden die Messungen im Vorfeld von Auffahrungen statt. Eine möglichst exakte räumliche Positionsangabe zu den Reflexionen ist gewünscht und eine korrekte Ansprache. Die Angabe der Entfernung zu einer reflektierenden Struktur kann bei der üblichen Ortsauflösung und den typischen Wellenlängen im cm bis dm Bereich erfolgen. Der räumliche Winkel kann in der Größenordnung von 10 bis 20 bestimmt werden. Weitere Aussagen lassen sich leicht treffen bezüglich der Intensität einer Reflexion und von der Phase, die von den Reflexionskoeffizienten der Übergänge abhängen. - Reflexionskoeffizient r = ε ε r 2 r 2 + ε ε r1 r1 ε Salz 5,8 r Salz-Anh 0,08 ε Anh 8 ε Luft 1 r Salz-Luft -0,41

4 Aufsicht auf ein Grubengebäude im Salz und skizzierte Reflektoren Radargramm (agc) vom Profil am Stoß

5 Streckenauffahrung Schacht Anhydrit Streckenauffahrung Abschnitt des Radargramms 50 MHz am Stoß Süd Von einem großen Teil der Reflexionen ist die Ursache bekannt. So kann versucht werden gezielt die entscheidenden beschreibenden Parameter zu extrahieren und zur Erkennung an anderer Stelle zu verwenden.

6 Abschnitt in Profilrichtung gespreizt und um 90 gedreht Der kleine Ausschnitt aus dem Radargramm des Messprofils am südlichen Stoß mit markierten Reflexionen von Anhydrit (grün) und einer Auffahrung (rot)

7 ε 2 > ε 1 Die Polarität der Antennen ist über das Profil konstant. 1. Halbwelle des Direktimpulses geht nach rechts ε 2 < ε 1 Vergrößerter Ausschnitt der Reflexionen vom Anhydrit (oben) (1. Halbwelle rechts) und der Auffahrung (unten) (1. Halbwelle links)

8 Luft-Salz Salz-Anhydrit Salz-Luft 50 MHz σ = 1 ms/m Mit Modellrechnungen können die beobachteten Amplituden- und Phasenverhältnisse verifiziert und quantifiziert werden. Die dünne Anhydritschicht erzeugt einen Puls mit wechselnden Amplituden der Halbwellen. Der Übergang vom Salz zur Strecke erzeugt einen in der Phase gedrehten gleichförmigen Puls. Auch die Rückwand wird aufgelöst. FD Modellrechnung mit Anhydritschicht und Strecke im Salz

9 Aus der Betrachtung des Vorzeichens der Phase einer Reflexion lassen sich bereits Eigenschaften eines Reflektors separieren. Liefert die Detailbetrachtung der Amplitudenverhältnisse und Zeitabstände von Halbwellen einen Ansatz zur verallgemeinerten Reflektorbeschreibung? Die Kurven der Amplitudenverhältnisse über das Profil zeigen gemäß der unterschiedlichen Reflektivität von Anhydrit und Luft voneinander unterscheidbare Muster. Wieweit sich charakteristische Muster definieren lassen die zur Differenzierung gegenüber anderen Strukturen dienen bleibt zu klären. Amplitudenverhältnis GB1 Amplitudenverhältnis Strecke Verh A2/A1 A3/A2 A3/A1 Verh A2/A1 A3/A2 A3/A Profil Profil Amplitudenverhältnisse benachbarter Maxima der Reflexionen vom Anhydrit (links) und von der Auffahrung (rechts)

10 Die Detailbetrachtung der Zeitabstände von Halbwellen ist hier aufgrund der Digitalisierung von 2 ns grob aufgelöst. Die Momentanfrequenz über Wellenzüge könnte Abhilfe schaffen. Dennoch zeigen die Kurven der Zeitabstände über das Profil voneinander abweichende Muster. Beim Anhydrit beginnt die Reflexion mit einem hochfrequenten Anteil, der bei Luft nicht zu sehen ist. Die Kombination dieser Erkenntnis mit den spezifischen Eigenschaften aus den Amplitudenverhältnissen könnte bereits eine Differenzierung möglich machen. Frequenz GB1 Frequenz Strecke MHz Frq t1-t2 Frq t2-t3 Frq t1-t3 MHz Frq t1-t2 Frq t2-t3 Frq t1-t Profil Profil In Frequenz transformierte Zeitabstände benachbarter Maxima der Reflexionen vom Anhydrit (links) und der Auffahrung (rechts)

11 Signalerkennung durch Neuronale Netze Neuronale Netze sind optimale Verfahren um Muster oder Parametersätze auf ihre Aussagerelevanz zu optimieren oder zu testen. Sie werden bereits als Standard in Fertigungsprozessen eingesetzt und auch in der Seismik zur Horizontverfolgung genutzt. Ein Neuronales Netz besteht aus zahlreichen einfachen Einheiten die gerichtet und gewichtet auch parallel Informationen an die nächste Ebene weiterleiten. Die Verbindungen sind gekennzeichnet durch Aktivierungsschwellen, die im Verlauf von Lernprozessen verändert werden. Durch Validierung von Parametersätzen können Assoziationsmuster geschaffen werden, die eine Verknüpfung von einer Eingabeebene zu einer Ausgabeebene herstellen ohne die deterministischen Zusammenhänge dazwischen kennen zu müssen. Für Tests mit den vorliegenden Radardaten wird der frei verfügbare Neuronale Netzwerksimulator der Uni Stuttgart (SNNS) probiert. Dazu müssen die Radardaten geeignet parametrisiert und kombiniert werden. Mit Daten von bekannten Strukturen oder Modellrechnungen können Parametersätze zum Lernen erzeugt werden.

12 Attribute der Radarsignale Verhältnis der Amplitudenextrema Verhältnis der Zeitabstände zwischen Halbwellen Amplitude Einhüllende Gradient der Einhüllenden Frequenz Momentanfrequenz Gradient der Momentanfrequenz Frequenzverteilung über die Zeit Cosinus der Momentanphase Produkt der Momentanphase mit der Amplitude

13 Anhydrit Strecke Die Amplitude und Phase hängen neben der gesuchten Materialeigenschaft von der Ankopplung der Antennen, der Geometrie, der Dämpfung etc ab. Die Einhüllende reduziert die Zeitreihe auf einen Amplitudenverlauf. Gleichzeitig ließe sich die Einhüllende auch als Energie pro Sample ansehen. Der Gradient der Einhüllenden betont die Änderungen im Amplitudenverlauf. Ausschnitt zweier Radarspuren mit Einhüllender (rot) und Gradient der Einhüllenden

14 Die Momentanfrequenz leitet sich aus der Momentanphase ab welche sich aus dem Verhältnis des Imaginärund Realteils der komplexen Spur bilden lässt. Dort wo die Amplituden groß genug sind schwankt die Momentanfrequenz um die Mittenfrequenz des Gesamtsignals. Der Gradient der Momentanfrequenz betont die Änderungen der Frequenz. Dadurch werden die Signalabschnitte hervorgehoben in denen das Rauschen einen Großteil der Amplitude ausmacht. Momentante Frequenz und der Gradient der Momentanfrequenz mit Einhüllender (rot) zum Vergleich

15 Niederfrequente Störanteile Hochfrequente Störanteile? Frequenzspektren der beiden Radarspuren

16 Anhydrit Strecke Farbskalierte Verteilung der Frequenz über die Zeit, berechnet aus einem gleitenden Intervall der Breite 100 ns

17 Produkt aus Amplitude und Phase Spur 1 A*P Das Produkt der Momentanphase mit der Amplitude kombiniert den Phasenverlauf mit der Intensität einer Reflexion ns Produkt aus Amplitude und Phase Spur A*P ns Produkt der Momentanphase mit der Amplitude der beiden Spuren

18 1 0.8 Cosinus der Momentanphase Spur 1 Der Cosinus der Momentanphase normiert den Phasenverlauf ns Cos(MP) Env Die Änderungen der Phase gehen nicht mit deutlichen Änderungen der Amplituden einher. Cosinus der Momentanphase Spur Cos(MP) Env ns Cosinus der Momentanphase mit Einhüllenden der Spuren zum Vergleich

19 Zusammenfassung und Ausblick Es kann bereits mit simpler Betrachtung von Amplitude und Phase eine Klassifizierung von Reflexionen vorgenommen werden. Die Kombination verschiedener Parameter von Radarspuren im Zeit- und Frequenzbereich ermöglichen eine differenzierte Beschreibung von Reflexionsmustern. Im Hinblick auf eine robuste Erkennung von Mustern sollten die beschreibenden Parameter möglichst gering und charakteristisch sein. Die Anwendung von Neuronalen Netzen erlaubt es Algorithmen bezüglich verschiedener Parameter zu trainieren und gewünschte Muster in neuen Datensätzen wieder zuerkennen. Umfangreiche Datensätze mit Reflexionen bekannter Herkunft stehen für die Lernphase Neuronaler Netze zur Verfügung. Die Verwendung des SNNS auf Parameter von Radardaten wird demnächst erfolgen.

20 Schönen Dank, für die Aufmerksamkeit!

21 Verhältnis der Amplitudenextrema Verhältnis der Zeitabstände zwischen Halbwellen Amplitude Einhüllende Gradient der Einhüllenden Frequenz Momentanfrequenz A(t) = r(t) + i q(t) A(t) = (r(t) 2 + q(t) 2 ) 1/2 A(f) dφ( t) ω( t) = dt Gradient der Momentanfrequenz Frequenzverteilung über die Zeit Cosinus der Momentanphase d A(t) /dt q( t) Φ( t) = arctan r( t) Produkt der Momentanphase mit der Amplitude