Georadar

Z Wikipedii

Schemat działania georadaru.

Profil radarowy z cmentarza w Alabama, USA. Odbicia w kształcie hiperboli wskazują na obecność zagrzebanych przeszkód - możliwe grobowce.

Georadar, GPR (ang. Ground-penetrating radar) - wysokorozdzielcza, mobilna metoda geofizyczna przedstawiająca w sposób graficzny ciągłą strukturę badanego ośrodka.

[edytuj] Budowa i działanie

Zestaw do badań GPR składa się z dwóch anten nadawczej i odbiorczej (wersja bistatyczna)lub jednej anteny nadawczo-odbiorczej (wersja monostatyczna), centralnej jednostki sterującej sygnałem i rejestratora. Specjalnie skonstruowane sygnały elektromagnetyczne emitowane są z poruszającego się bezpośrednio po badanej powierzchni zestawu anten i propagują się w badanym ośrodku. Sygnały te odbijają się od granic pomiędzy obszarami o różnej stałej dielektrycznej.

W wersji bistatycznej jedna antena wysyła monocykle sinusoidalne, o długości półtora okresu, a druga identyczna antena, zamontowana tuż obok, odbiera odbite sygnały, które są opóźnione w stosunku do sygnałów nadawanych o pewną wartość od kilkudziesięciu do kilku tysięcy nanosekund. Coraz popularniejsze są też rozwiązania emitujące sygnały ze skokowo zmienną częstotliwością bądź sygnały typu chirp.

Odbity sygnał rejestrowany przez antenę odbiorczą w dziedzinie czasu jest zapisywany w postaci danych cyfrowych podlegających dalszej obróbce i interpretacji . Przetwarzanie danych pomiarowych odbywa się z wykorzystaniem specjalistycznego, interaktywnego oprogramowania, które pozwala na uzyskanie rzeczywistych danych takich jak np.: warstwowanie gruntów i skał, budowa strukturalna, wykryte przeszkody, pustki, znaleziska archeologiczne i wiele innych.

Zapis sygnału to pojedyncza ścieżka, którą można porównać do pojedynczego odwiertu. Dawniej właśnie taki obraz oglądano na oscyloskopach [1]. Po złożeniu ścieżek jedna po drugiej uzyskujemy dwuwymiarowy obraz, gdzie x jest przebytą w czasie profilowania odległością, a y to czas "nasłuchu" przez georadar [2], który w środowisku o znanej stałej dielektrycznej, pozwala na precyzyjne określenie głębokości przeszkód, od których odbijają się nadawane sygnały.

Georadar pracuje, w zależności od potrzeb, w szerokim zakresie częstotliwości od 10 MHz do 2,5 GHz. Dobór częstotliwości roboczej zależy od głębokości penetracji, ponieważ fale elektromagnetyczne są tłumione w gruncie (zwłaszcza w iłach i glinie ─ suchy piasek i żwir nie ograniczają tak mocno ich zasięgu).

Najmocniej tłumione są fale elektromagnetyczne o najwyższych częstotliwościach. Dlatego też w razie potrzeby zbadania głębiej zalegających warstw litologicznych używa się anten pracujących w dolnym zakresie częstotliwości, czyli od 20 MHz do 300 MHz.

Osiąganie dużych głębokości okupione jest niższą rozdzielczością. Oznacza to, że na największych głębokościach możemy dostrzec jedynie największe obiekty takie jak jaskinie, tunele, uskoki oraz strukturę warstw litologicznych. Nie stanowi to wady tych anten, lecz ich zaletę, gdyż na bardzo dużych głębokościach nie szukamy kabli, rur, czy okruchów skalnych, których obecność na falogramie jedynie zaciemniałaby obraz.

Gdy konieczne jest wykonanie dokładnych badań na dużych głębokościach, można to uczynić nie z powierzchni gruntu lecz z otworu wiertniczego, po wprowadzeniu do niego specjalnej anteny, która przekaże większą ilość szczegółów.

Anteny dla średnich i wysokich częstotliwości umożliwiają wykrycie średnich i małych obiektów, zaś anteny o częstotliwości 1-2 GHz wykrywają nawet poszczególne pręty zbrojeniowe w konstrukcji betonowej.

Georadar może pracować z antenami ekranowanymi oraz nie ekranowanymi. Zastosowanie kilku różnych anten daje możliwość pracy na kilku kanałach.

Oprócz anten powierzchniowych, przesuwanych po powierzchni ziemi ─ istnieją anteny otworowe. Anteny otworowe mają tę przewagę nad powierzchniowymi, że są wpuszczane na duże głębokości do otworu. Za ich pomocą dokonuje się pomiarów w sąsiedztwie otworu, w którym znajduje się antena.

[edytuj] Przetwarzanie danych

Podstawowe przetwarzanie zebranych w terenie danych jest prowadzone w podobny sposób przy badaniach sejsmicznych. Zalecane metody to: korekta nasycenia sygnału (ang. signal saturation), utraty amplitudy (ang. gain recovery), dekonwolucja (ang. spiking deconvolution), filtrowanie częstotliwościowe (ang. bandpass filtering), korekta głębokości (ang. normal moveout corrections) i migracja. Przetwarzanie danych powinno być dostosowane do stosowanego sprzętu (np. rozstawu anteny i odbiornika), paramentów, budowy geologicznej itp. Należy też prowadzić dokładny rejestr stosowanych metod.

Korekta nasycenia sygnału: Duże natężenie sygnału związane z falą powietrzną (pierwszym impulsem, który podróżuje z prędkością światła bezpośrednio od anteny nadawczej do odbiorczej), fali powierzchniowej (impulsem rejestrowanym jako drugi, który jest przekazywany pomiędzy antenami wzdłuż powierzchni ziemi) i płytkie powierzchnie odbicia powodują, że odbiornik GPR staje się nasycony sygnałem i wzbudza fale o niskich częstotliwościach (efekt "wow"), które maskują docierający sygnał o wysokich częstotliwościach. Korekta jest dokonywana przez odfiltrowywanie niskich częstotliwości.

Odzyskiwanie sygnału: Z powodu geometrycznego rozchodzenia się fal późniejsze rejestrowane fale charakteryzują się niższymi amplitudami niż wcześniejsze. Aby odzyskać utracone informacje dotyczące amplitudy stosuje się funkcję dywergencji sferycznej lub automatyczną kontrolę rejestrowanego sygnału (AGC).

Dekonwolucja: Dekonwolucja skraca podstawową długość rejestrowanych fali i zatrzymuje echo i wielokrotne odbicia. Z tego względu zwiększa ona rozdzielczość i powoduje poprawę uzyskanego obrazu. Dekonwolucja dokonywana jest tu metodą prób i błędów aż do uzyskania najlepszego możliwego obrazu.

Filtrowanie częstotliwości służy wychwytywaniu niechcianych zasięgów częstotliwości fal. Większość energii jest przekazywana jedynie w określonym zasięgu i dlatego też filtrowanie zwiększa stosunek sygnału do zakłoceń (Sensors and Software) chociaż może też prowadzić do utraty rozdzielczości.

Analiza prędkości: Prędkość fal może być określona na wiele sposobów: pomiar czasu powrotu fali (TWT) odbitej od określonego horyzontu lub zagrzebanego przedmiotu na znanej głębokości, bezpośrednie badania laboratoryjne prowadzone na próbkach gruntu, pomiar czasu pomiędzy otworami wiertniczymi, badania transiluminacji pomiędzy dwoma równoległymi odsłonięciami, iteracyjna migracja i metoda wspólnego punktu odbicia "CMP" (Neal 2004).

Korekta statyczna: Statyczna korekta wysokości i prędkości powinna być przeprowadzona w celu uzyskania bardziej realistycznego obrazu podłoża. Statyczne zmiany prędkości stosuje się na granicach dwóch warstw o znacznych różnicach w prędkości fali np. powyżej i poniżej zwierciadła wody gruntowej (Fisher 1992).

Normalne przesunięcie: Z powodu odległości pomiędzy anteną odbiorczą i nadawczą w badaniach common-offset profil radarowy jest zaburzony w odniesieniu do głębokości. Korekta normalnego przesunięcia powoduje, że dopasowanie profilu do właściwej głębokości/czasu i redukuje efekt dystansu pomiędzy antenami.

Migracja: Przesuwa wykresy powierzchni odbicia do ich rzeczywistego położenia i tworzy w ten sposób rzeczywisty obraz podłoża.

[edytuj] Zastosowanie

Pomiary georadarowe wykorzystywane są w:

• geologii
• badaniach sedymentologicznych
• geotechnice
• geofizyce
• drogownictwie
• archeologii

Różnice własności przenikalności elektrycznej są najczęściej wynikiem nasycenia osadów, gruntu czy skał płynami (np. wody gruntowej) a zawartość wody jest związana z porowatością, upakowaniem ziarn, wysortowaniem, imbrykacją klastrów czy spękaniem skał itp. Różnice dielektryczne mogą być też związane ze składem mineralnym. Z tego powodu w skałach osadowych powierzchnie odbicia pokrywają się z granicami pomiędzy warstwami charakteryzującymi się zmianami takich cech jak wymienione powyżej.

Dla celów geologicznych stosuje się anteny o niskich częstotliwościach 10-80 MHz. Do badań sedymentologicznych (śledzenie powierzchni warstwowania itp.) najczęściej wykorzystuje się antenę 200 MHz.

Do badań drogowych i strukturalnych w budownictwie używane są znacznie wyższe częstotliwości.

[edytuj] Przykładowe odczyty georadarowe

• korozja krasowa - głębokość ok 10 m profil 2D [3]
• średniowieczne mury profil 2D [4]
• georadar w archeologii (odczyty 3D) - kolejne cięcia czasowe utworzone z wielu profili 2D

[edytuj] Literatura i linki zewnętrzne

Daniels, J.J., Ground Penetrating Radar Fundamentals, Online: Appendix to a Report to the U.S.EPA, Region V, 2000

Fisher, S.C., Stewart, R.R., Jolt, H.M. Processing Ground Penetrating Radar (GPR) Data, CREWES Research Report Volume 4, 1992