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Type: Dissertação de Mestrado
Title: A multimodal inverse problem for GPR pavement parameter estimation
Authors: Maria Victoria Africano Contreras
First Advisor: Ricardo Luiz da Silva Adriano
First Referee: Rodney Rezende Saldanha
Second Referee: Lucas de Souza Batista
Third Referee: Douglas Alexandre Gomes Vieira
Abstract: Nesta dissertação é proposta uma abordagem diferente para determinar a permissividade e espessura de rodovias modeladas como camadas superpostas usando o perfil do subsolo geradas pelo GPR. Deste modo, foi desenvolvido e analisado um algoritmo de optimização, com base em computação evolutiva, que pode ser aplicado para resolver o problema inverso. Por meio da metodologia proposta, pretende-se estimar as propriedades de rodovias proporcionando algumas vantagens que não foram aludidas em estudos anteriores na área. A estimativa de parâmetros de pavimento usando o radar de penetração do solo é abordado a partir de três diferentes metodologias. Estas metodologias foram simuladas a partir de uma estrutura de pavimento flexível para realizar uma análise comparativa que permitiu destacar as vantagens e desvantagens da sua utilização. Em primeiro lugar, uma abordagem no domínio do tempo foi feita e os resultados mostraram que o método proporciona uma forma fechada para avaliar os parâmetros de pavimento usando as equações simples. No entanto, demonstrou-se que a precisão deste método é altamente dependente da avaliação dos instantes de reflexão e as amplitudes de pico. A presença de múltiplas reflexões piora o desempenho do método, uma vez que é difícil associar o pulso refletido à sua respectiva interface de onde se origina a reflexão. Além disso, as camadas muito finas geram impulsos sobrepostos que não são detectados facilmente. Em segundo lugar, uma abordagem de domínio de frequência foi executada minimizando uma função de erro. Neste caso, as características das camadas superpostas não podem ser obtidas em uma forma fechada. O problema da caracterização do pavimento é geralmente tratado como um problema electromagnético inverso, que é normalmente resolvido utilizando algum método de otimização. Os resultados para este método garantiram que o problema estivesse bem posto por meio da definição de uma frequência máxima o qual também resulta em um problema de otimização unimodal na vizinhança do ponto ótimo. Esta característica unimodal proporciona a vantagem de utilizar ferramentas de optimização determinísticas, resultando em métodos de convergência rápida. No entanto, a principal desvantagem relacionada à existência de uma frequência máxima é o tamanho da antena. A definição de uma frequência máxima limita o tamanho mínimo da antena. Em terceiro lugar, uma variação do segundo método foi sugerida pela autora desta dissertação para tirar vantagens de ambos os métodos já definidos. O problema inverso também foi baseado na minimização da função de erro, de forma semelhante ao descrito na abordagem anterior. No entanto, o sinal utilizado foi um sinal com múltiplas componentes em frequência. Os resultados mostraram que a utilização deste método garante que o problema continue bem-posto sem a restrição de frequência máxima. Os parâmetros do pavimento foram obtidos corretamente. No entanto, uma forte característica multimodal é apresentada na função objetivo que cancela qualquer possibilidade de utilização de ferramentas de otimização determinísticas. Este leva a utilização de algoritmos estocásticos que adiciona complexidade computacional
Abstract: This thesis proposes a different approach to determine the permittivity and thickness of highways modeled as overlapping layers using the subsoil profile generated by the GPR. In this way, it was developed and analyzed an optimization algorithm based on evolutionary computation that could be applied to solve the inverse problem. By means of the proposed methodology, we intend to estimate the highway properties providing some advantages that wasnt alluded in previous studies in the area. The pavement parameter estimation using ground penetrating radar is approached from three different methodologies. These methodologies were tested on a flexible pavement structure attempting to perform a comparative analysis that allowed to highlight the advantages and disadvantages of their use. First, a time domain approach was treated and results showed that the method provides a closed form to evaluate the pavement parameters using single equations. However, it was demonstrated that the accuracy of this method is highly dependent on the evaluation of the reflection instants and the peak amplitudes. The presence of multiple reflections worsens the method performance, since it is difficult to associate the reflected pulse to its respective interface where the reflection originates. Moreover, very thin layers generate overlapped pulses that are not easily detected. Secondly, a frequency domain approach was performed minimizing an error function. In this case, the characteristics of the multiple layers could not be obtained in a closed form. The problem of pavement characterization is usually treated as an electromagnetic inverse problem, which is usually solved using some optimization method. Results for this method guaranteed that the problem was well-posed by means of the definition of a maximum frequency which also results in a unimodal optimization problem in the optimum point vicinity. This unimodal characteristic gives the advantage of using deterministic optimization tools, resulting in fast convergence methods. However, the main drawback concerning the existence of a maximal frequency is the size of the antenna. Setting a maximal frequency limits the minimal size of the antenna. Finally, a third approach was suggested by the author of this thesis to take advantages of both methods already defined. The inverse problem was also based on minimizing the error function, similarly to what was described on the previous approach. Nevertheless, the used signal was expanded to include multiple frequency components. Results showed that using this method it is guaranteed: the well-posedness of the problem without the maximal frequency restriction and that the pavement parameters were properly obtained. However, a strong multimodal characteristic is presented in the objective function which cancel any possibility of using deterministic optimization tools. This leads to the use stochastic algorithms that adds computational complexity
Subject: Otimização combinatória
Engenharia elétrica
Radar
Teste de penetração do solo
language: Inglês
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/RAOA-BBSP8E
Issue Date: 4-Sep-2015
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