ما هو رادار الاختراق الأرضي (GPR)؟

رادار الاختراق (GPR) هو المصطلح العام المطبق على التقنيات التي تستخدم الموجات الراديوية ، عادةً في نطاق التردد من 1 إلى 1000 ميجاهرتز ، لرسم خرائط للهياكل والميزات المدفونة في الأرض (أو في الهياكل من صنع الإنسان). تاريخيًا ، كان GPR يركز بشكل أساسي على رسم خرائط الهياكل في الأرض ؛ في الآونة الأخيرة ، تم استخدام GPR في الاختبارات غير المدمرة للهياكل غير المعدنية.

إن مفهوم تطبيق الموجات الراديوية لاستكشاف البنية الداخلية للأرض ليس جديدًا. بلا شك ، كان أنجح الأعمال المبكرة في هذا المجال هو استخدام مسبار الصدى الراديوي لرسم خرائط لسماكة الصفائح الجليدية في القطب الشمالي والقطب الجنوبي وتحديد سمك الأنهار الجليدية. بدأ العمل مع GPR في البيئات غير الجليدية في أوائل السبعينيات. ركز العمل المبكر على تطبيقات التربة دائمة التجمد.

تطبيقات GPR محدودة فقط بالخيال وتوافر الأجهزة المناسبة. في هذه الأيام ، يتم استخدام GPR في العديد من المجالات المختلفة بما في ذلك تحديد مواقع المرافق المدفونة ، وتقييم مواقع المناجم ، والتحقيقات الجنائية ، والحفريات الأثرية ، والبحث عن الألغام الأرضية المدفونة والذخائر غير المنفجرة ، وقياس سمك وجودة الثلج والجليد لإدارة منحدرات التزلج والتنبؤ بالانهيارات الثلجية على سبيل المثال لا الحصر.

كيف يعمل؟

GPR هو مثل مكتشف الأسماك ومصدر الصدى

ما هو صعب جدا بشأن GPR؟

لماذا لا يبدو الأنبوب وكأنه أنبوب؟

• سجل GPR هو صورة زائفة للأرض
• الميزات المترجمة تصبح زائدية (V مقلوبة)
• يرسل GPR إشارات إلى الأرض في جميع الاتجاهات
• تمت ملاحظة أصداء من جميع الاتجاهات
• أقرب نهج (فوق الهدف) يحدث عند قمة V.
• يساعد شكل V المقلوب في تحديد العمق الدقيق

ما هو عمق الاختراق للرادار المخترق للأرض؟

"إلى أي عمق يمكنك أن ترى؟" هو السؤال الأكثر شيوعًا المطروح على بائعي رادار اختراق الأرض (GPR). في حين أن الفيزياء معروفة جيدًا ، فإن معظم الأشخاص الجدد في GPR لا يدركون أن هناك قيودًا جسدية أساسية.

يعتقد الكثير من الناس أن اختراق GPR محدود بواسطة الأجهزة. هذا صحيح إلى حد ما ، لكن عمق الاستكشاف تحكمه المادة نفسها بشكل أساسي ولن يتغلب أي قدر من تحسين الأجهزة على الحدود المادية الأساسية.

ما الذي يتحكم في الاختراق؟

لا تخترق موجات الراديو التربة والصخور ومعظم المواد التي يصنعها الإنسان مثل الخرسانة. يشهد على ذلك فقدان استقبال الراديو أو اتصال الهاتف المحمول أثناء قيادة السيارة عبر نفق أو في مرآب للسيارات تحت الأرض.

تعتمد حقيقة أن GPR تعمل على الإطلاق على أنظمة القياس الحساسة للغاية المستخدمة والظروف المتخصصة. تنخفض موجات الراديو بشكل كبير وسرعان ما تصبح غير قابلة للكشف في المواد الممتصة للطاقة ، كما هو موضح في الشكل 1.

الشكل 1: إشارات GPR تتحلل بشكل كبير في التربة والصخور.

يتم تحديد معامل التوهين الأسي ، أ ، بشكل أساسي من خلال قدرة المادة على إجراء التيارات الكهربائية. في المواد الموحدة البسيطة عادة ما يكون هذا هو العامل المهيمن ؛ وبالتالي فإن قياس الموصلية الكهربائية (أو المقاومة) يحدد التوهين.

في معظم المواد ، تُفقد الطاقة أيضًا بسبب التشتت من تقلب المواد وإلى وجود الماء. الماء له تأثيران ؛ أولاً ، يحتوي الماء على أيونات تساهم في التوصيل بالجملة. ثانيًا ، يمتص جزيء الماء الطاقة الكهرومغناطيسية عند ترددات عالية تزيد عادةً عن 1000 ميجاهرتز (بالضبط نفس الآلية التي تفسر سبب عمل أفران الميكروويف).

يزداد التوهين مع التردد كما هو مبين في الشكل 2. في البيئات التي تكون قابلة لسبر GPR ، عادة ما يكون هناك استقرار في منحنى التوهين مقابل التردد الذي يحدد "نافذة GPR".

الشكل 2: يختلف التوهين باختلاف وتيرة الإثارة والمواد. هذه المجموعة من الرسوم البيانية تصور الاتجاهات العامة. عند الترددات المنخفضة (1000 ميجا هرتز) ، يعتبر الماء ممتصًا قويًا للطاقة.

هل يمكنني تقليل التردد لتحسين الاختراق؟

يؤدي خفض التردد إلى تحسين عمق الاستكشاف لأن التوهين يزداد أساسًا مع التردد. مع انخفاض التردد ، يلعب جانبان أساسيان آخران لقياس GPR.

أولاً ، يؤدي تقليل التردد إلى فقدان الدقة. ثانيًا ، إذا كان التردد منخفضًا جدًا ، فلن تنتقل الحقول الكهرومغناطيسية كموجات ولكنها منتشرة وهو عالم القياسات الحثية أو التيار الدوامي.

لماذا لا يمكنني زيادة قوة جهاز الإرسال فقط؟

يمكن زيادة عمق الاستكشاف عن طريق زيادة قوة المرسل. لسوء الحظ ، يجب أن تزداد القوة أضعافا مضاعفة من أجل زيادة عمق الاستكشاف.

الشكل 3: عندما يحد التوهين من عمق الاستكشاف ، يجب أن تزيد القوة أضعافًا مضاعفة مع العمق.

يوضح الشكل 3 القوة النسبية اللازمة للتحقيق في عمق معين للتوهين المبين في الشكل 1. يمكن للمرء أن يرى بسهولة الزيادات في عمق الاستكشاف التي تتطلب مصادر طاقة كبيرة.

بالإضافة إلى القيود العملية ، تنظم الحكومات مستوى الانبعاثات الراديوية التي يمكن توليدها. إذا أصبحت إشارات جهاز إرسال GPR كبيرة جدًا ، فقد تتداخل مع الأجهزة الأخرى وأجهزة التلفزيون والراديو والهواتف المحمولة. (لسوء الحظ ، عادة ما تكون هذه الأجهزة الموجودة في كل مكان هي المصادر المحدودة للضوضاء لأجهزة استقبال GPR!)

هل يمكنني توقع عمق الاستكشاف؟

نعم ، بشرط أن تكون المادة المطلوب فحصها معروفة كهربائيًا ، تتوفر العديد من برامج الحساب الرقمي. إن أبسط طريقة للحصول على تقديرات لعمق الاستكشاف هي استخدام تحليل معادلة نطاق الرادار (RRE). يتوفر برنامج لإجراء هذه الحسابات وهناك العديد من الأوراق حول هذا الموضوع. تم توضيح المفاهيم الأساسية في الشكل 4.

الشكل 4: نطاق الرادار ، الموضح هنا في شكل مخطط انسيابي ، يحدد توزيع الطاقة ويوفر وسيلة لتقدير عمق الاستكشاف.

تحليل RRE قوي جدًا للدراسات البارامترية وتحليلات الحساسية.

نطاق الرادار معقد للغاية!

يقول العديد من المستخدمين إن RRE معقد للغاية للاستخدام الروتيني. إذا كنت لا ترغب في الدخول في حسابات مفصلة ، فنحن نقترح استخدام القاعدة العامة الأبسط التالية لتقدير عمق الاستكشاف

د = 35 / متر

أين الموصلية في مللي ثانية / م. في حين أن هذه القاعدة المفيدة ليست موثوقة مثل RRE ، إلا أنها مفيدة جدًا في العديد من البيئات الجيولوجية.

نهج أبسط هو استخدام جدول أو رسم بياني لأعماق الاستكشاف التي تم الحصول عليها في المواد الشائعة. يظهر في الشكل 5 مخطط مثال للمواد الشائعة التي تمت مواجهتها مع GPR.

الشكل 5: مخطط أعماق الاستكشاف في المواد الشائعة. تستند هذه البيانات إلى ملاحظات "أفضل حالة". كما يوضح الشكل 9 ، فإن المادة وحدها ليست مقياسًا حقيقيًا لعمق الاستكشاف.

توضح الأشكال 6 و 7 و 8 أمثلة تتراوح من الاستكشاف العميق إلى الاستكشاف الضحل. يمكن رؤية نوع المادة للتحكم في عمق الاستكشاف. لسوء الحظ ، لا يمكن دائمًا التنبؤ بالاستكشاف من خلال معرفة المواد الموجودة في منطقة المسح فقط.

الشكل 6: بيانات من جرانيت ضخم - الانعكاسات هي كسور. الشكل 7: بيانات تظهر الفراش في رواسب الرمل الرطب. الشكل 8: تظهر البيانات استجابة البراميل في الطين الطيني الرطب.

يوضح الشكل 9 قسمًا تكون فيه الجيولوجيا موحدة بشكل أساسي ولكن عمق الاستكشاف متغير بدرجة كبيرة. تختلف موصلية المياه المسامية بينما المادة الجيولوجية ثابتة! في هذه الحالة ، توفر معرفة الموصلية مقياسًا أفضل لعمق الاستكشاف من معرفة المادة.

الشكل 9: قسم GPR من وضع الرمال. يتم تحديد عمق الاستكشاف من خلال توصيل المياه المسامية - وليس مادة الرمل. تسبب الملوثات المتسربة من مدافن النفايات موصلية متغيرة (وعمق استكشاف) مع الموضع.

تطبيقات GPR والترددات المناسبة

الأنظمة والهوائيات حسب التطبيقات