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Ground Penetrating Radar as a Quantitative Tool with Applications in Soil Hydrology

Gerhards, Holger

German Title: Georadar als quantitatives Instrument mit Anwendungen in der Bodenhydrologie

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Abstract

This work concentrates on the investigation of ground penetrating radar (GPR) with respect to applications in soil hydrology. The motivation is to expand the boundaries of processability and evaluability of GPR measurements. Therefore, a detailed review of the fundamentals for electromagnetic wave propagation is given. First, theoretical and experimental descriptions of the dielectric material models are introduced. This is followed by an overview of different modeling approaches in electrodynamics which differ in their physical complexity. The ray approach, a plane wave description and a Green’s function approach are presented, where the last simulates a vertical dipole in a horizontally layered medium. With the help of these modeling approaches, some specific electromagnetic wave phenomena are studied. For instance the reflection and the refraction at continuously varying dielectric properties are analyzed, which can stem for example from the water distribution in soils. Furthermore, the ground wave is studied regarding its evanescent wave behavior. This can be observed, when the wave couples into the air. As an outcome of the theoretical considerations, two novel measurement techniques and their evaluation approaches are presented. One technique is the lift measurement, which enables the detection of evanescent waves. The other technique is the multi-channel method, which allows a simultaneous access to reflector depth and average water content up to several hundred meters.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Erkundung der Georadar-Methode im Hinblick auf die Anwendbarkeit in der Hydrologie oberflächennaher Bodenschichten. Die Motivation besteht darin, die Grenzen der Auswertbarkeit von Georadarmessungen zu erweitern, weswegen ein detaillierter Überblick der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen gegeben wird. Begonnen wird hierbei mit einer Einführung in die theoretischen und experimentellen Beschreibungsmöglichkeiten der relevanten dielektrischen Materialeigenschaften. Fortgesetzt wird dies mit einer Übersicht verschiedener Simulationsansätze in der Elektrodynamik, welche sich in ihrer physikalischen Komplexität unterscheiden. So wird der Strahlenansatz, die Beschreibung durch ebene Wellen sowie die Anwendung von Greenschen Funktionen vorgestellt, wobei letzteres an einen vertikalen Dipol in einem horizontal geschichteten Medium angepaßt ist. Mit diesen Modellansätzen werden einige spezielle Sachverhalte der Wellenausbreitung in der Elektrodynamik beleuchtet. So zum Beispiel, wird die Reflektion von und die Brechung an kontinuierlichen dielektrischen Übergängen analysiert, die zum Beispiel durch die Wasserverteilung im Boden herrühren können. Weiterhin wird die Bodenwelle hinsichtlich ihrer evaneszenten Eigenschaften untersucht. Diese treten auf, wenn die Bodenwelle in den Luftraum einkoppelt. Als Resultat der theoretischen Betrachtungen werden zwei neue Messmethoden und deren Auswertbarkeit vorgestellt. Eine Messmethode stellt die Anhebemessung dar, welche die Detektion von evaneszenten Wellen erlaubt. Die zweite Messtechnik ist die Mehrkanalmethode, welche einen gleichzeitigen Zugriff auf die Reflektortiefe und den mittleren Wassergehalt auf Messstrecken über mehrer hundert Meter bietet.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Roth, Prof. Dr. Kurt
Date of thesis defense: 30. October 2008
Date Deposited: 06. Nov 2008 11:38
Date: 2008
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Institute of Environmental Physics
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Elektromagnetische Reflexionsmethode, Bodenphysik, Wassergehalt
Uncontrolled Keywords: MehrkanalmethodeMulti-Channel Measurement
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