Simulação e inversão de ondas eletromagnéticas em diferentes meios geológico-geotécnicos

Abstract

Este trabalho trata da simulação da propagação de ondas eletromagnéticas (1-D) em meios geológicos de propriedades físicas conhecidas (espessura, condutividade e permissividade elétrica), do registro das ondas EM refletidas (dados sintéticos) para uma antena receptora, e do uso desse registro em algoritmos de inversão e otimização que procuram estimar as propriedades físicas dos meios geológicos. Adotou-se modelos geológicos estratificados de pequena espessura (< 1,2 m) e altas frequências para a onda eletromagnética (800, 1000 e 1200 MHz). A propagação da onda eletromagnética é modelada por meio da resolução das equações de Maxwell no método FDTD. Os métodos de inversão Quasi-Newton e Otimização Ant Colony modificado são aplicados sobre os dados sintéticos para estimar os parâmetros elétricos para cada camada geológica. Ambos os métodos foram aplicados alternadamente para aumentar a precisão e a convergência ao longo da profundidade. Os métodos de inversão foram capazes de estimar simultaneamente duas propriedades eletromagnéticas do modelo geológico: a permissividade elétrica e a condutividade elétrica. Os métodos de inversão alcançaram bons resultados quando executados simultaneamente sobre os dados sintéticos em 3 diferentes frequências. Exemplos de estimativas dos perfis de condutividade e permissividade elétricas unidimensionais são apresentados, com e sem inserção de ruídos nos dados. Os resultados indicam que a combinação dos métodos de inversão (ACO modificado e Quasi-Newton) pode fornecer bons resultados para as estimativas dos parâmetros físicos de meios geológicos e geotécnicos em meios rasos. Além disso, essa combinação de métodos de inversão abre novas perspectivas para o processamento de dados georradar multi-canais. As investigações também mostram que a simulação dos perfis sintéticos por meio do método FDTD pode propagar erros em espessuras maiores de subsolo, devido ao fato de ser um método explícito.

This work deals with simulation of a 1-D electromagnetic wave propagating into a geological structure of known physical properties (thickness, electric conductivity and permittivity), the record of the reflected EM wave (synthetic data), and the use of these records in inversion and optimization algorithms to estimate back the physical properties of the geological structure. A stratified and thin (< 1.2 m) geological structure was initially constructed in order to be scanned by high frequency EM waves (800, 1000, and 1200 MHz). The EM wave propagation is simulated by Maxwell equations through FDTD method. The Quasi-Newton inversion and Ant Colony Optimization methods were applied into synthetic data to estimate original physical parameters of each geological layer. Both methods were applied in order to increase precision and convergence along depth. These methods were able to simultaneously estimate two physical properties of the geological structure: electrical permittivity and conductivity. The methods showed good results when applied simultaneously upon synthetic data of all three frequencies. Electric permittivity and conductivity profiles are shown with and without noise in the data. The results indicate that combined inversion methods can show good results to estimate physical properties of thin geological and geothecnical structures. The combined inversion methods open new perspectives to multichannel GPR data processing. The investigations also show that simulation of synthetic data through FDTD can propagate errors when dealing with thick geological structures, due to the fact that FDTD is an explicit method.