Vielfache in GPR-Daten sind nicht sehr häufig, außer in sehr spezifischen Szenarien wie Eisprofilierung und Untertagebergbau, kommen aber in einigen alltäglichen Situationen vor, die Sie überraschen könnten.
Der überwiegende Teil der GPR-Daten entsteht, wenn GPR-Signale nach der Übertragung vom GPR-Sender einmal reflektiert werden, bevor sie am GPR-Empfänger ankommen (Figure 1).
Figure 1
Die meisten GPR-Querschnitte (rechts) zeigen GPR-Signale, die einmal von einem Untergrundobjekt oder einer Grenze reflektiert wurden.
In manchen Situationen ist es jedoch möglich, dass GPR-Signale zwei-, dreimal oder mehrmals von demselben Objekt oder derselben Grenze reflektiert werden, bevor sie den GPR-Empfänger erreichen. Diese Arten von Reflexionen werden „Vielfache“ genannt. Die Identifizierung von Vielfachen in Ihren GPR-Daten ist eine der schwierigsten Interpretationen.
In diesen TIPPS diskutieren wir die Bedingungen, die für das Auftreten von Vielfachen in GPR-Daten erforderlich sind, und zeigen einige Beispiele, darunter ein Alltagsbeispiel und andere unter ganz besonderen Umständen.
Ice
Das häufigste Beispiel für Vielfache in GPR-Daten ist der Eintritt des GPR-Signals in eine Schicht mit großen Kontrasten in der dielektrischen Permittivität sowohl an der Ober- als auch an der Unterseite der Schicht. Dies führt zu hohen Reflektivitätswerten an beiden Grenzflächen und ein Großteil der GPR-Energie wird praktisch in der Schicht „gefangen“ und mehrmals nach oben und unten reflektiert. Ein gutes Beispiel hierfür sind Daten zur Eisdicke (Figure 2).
Figure 2
Das hohe Reflexionsvermögen an beiden Grenzen über und unter dem Eis schafft perfekte Bedingungen für die mehrfache Reflexion von GPR-Signalen.
Eis hat eine dielektrische Permittivität von 3.2, während die Luft über dem Eis eine dielektrische Permittivität von 1 und das Wasser unter dem Eis eine dielektrische Permittivität von 80 hat. Wenn das GPR-Signal zum Boden des Eises gelangt, trifft es auf das Eis. Wassergrenzfläche mit einem Reflexionsvermögen von 67 %, was bedeutet, dass etwa 2/3 der Energie zurück ins Eis reflektiert werden. Wenn das GPR-Signal dann die Eis-Luft-Grenzfläche oben auf dem Eis erreicht, beträgt das Reflexionsvermögen 28 %, was dazu führt, dass ein erheblicher Teil des Signals zurück ins Eis reflektiert wird, wo sich der Vorgang mehrmals wiederholen kann, bis das Signal erreicht ist gedämpft.
Während die GPR-Daten so aussehen, als gäbe es mehrere Ebenen (Figure 3), gibt es tatsächlich eine Schicht, von der das GPR-Signal mehrmals bei immer längeren Laufzeiten reflektiert wurde.
Die Tatsache, dass die Schichten einander perfekt nachahmen (Figure 3) ist ein Merkmal eines Vielfachen, nach dem gesucht werden muss, um Vielfache zu identifizieren.
Figure 3
Vielfache der Daten zur Eisdicke. Die zweite und dritte Reflexion ahmen zeitlich die erste Reflexion nach, sodass ein Unterschied von 1 ns bei der ersten Reflexion 2 ns bei der zweiten Reflexion und 3 ns bei der dritten Reflexion beträgt. Dies bedeutet, dass Dickenschwankungen wie der V-förmige Bereich in der Box mit zunehmender Anzahl von Mehrfachreflexionen immer stärker ausgeprägt werden.
Wasserpfützen
Ein anderer, häufigerer Ort, an dem eine ähnliche Reaktion zu sehen ist, sind Vielfache aus einer Wasserpfütze (Figure 4). Wenn eine Wasserpfütze tief genug ist, um beide GPR-Antennen im Wasser zu versenken, können mehrere auftreten.
Figure 4
Wasserpfützen mit hohem Reflexionsvermögen an beiden Grenzen über und unter dem Wasser erzeugen ein weiteres Szenario für die mehrfache Reflexion von GPR-Signalen.
Wasser hat eine dielektrische Permittivität von 80, während die Luft über der Pfütze eine dielektrische Permittivität von 1 und der Asphalt unter der Pfütze eine dielektrische Permittivität von 6 hat. Das Wasser-zu-Asphalt-Reflexionsvermögen am Boden der Pfütze beträgt 57 %, während das Wasser zu Das Luftreflexionsvermögen an der Oberseite der Pfütze beträgt 80 %, was zu Bedingungen für die Erzeugung von Vielfachen führt.
Figure 5
Vielfaches des GPR-Signals in einer Wasserpfütze. Beachten Sie, dass die Wassertiefe stark übertrieben ist, um den Weg der GPR-Wellen zu zeigen.
Multiples beim Überqueren einer Pfütze mit GPR führen im Vergleich zu Eis tendenziell zu viel komplexeren Reaktionen (Figure 6), da Pfützen oft so klein sind, dass das GPR Daten von den Rändern der Pfütze sammelt, wo die Wassertiefe auf Null geht (Figure 5).
Figure 6
Vielfaches des GPR-Signals in einer Wasserpfütze. Obwohl es so aussieht, als hätte sich die Eindringtiefe unter der Pfütze erhöht, ist das GPR-Signal größtenteils in der Wasserschicht gefangen und wird mehrfach nach oben und unten reflektiert. Die unterschiedliche Wassertiefe in der Pfütze und an den Rändern der Pfütze erzeugen zusammen ein komplexes Reaktionsmuster. Beachten Sie den Geschwindigkeitsrückgang bei der direkten Bodenankunft aufgrund der sehr langsamen Geschwindigkeit von Wasser (0.033 m/ns) im Vergleich zu Asphalt (0.13 m/ns).
Für GPR-Betreiber besteht eine doppelte Gefahr von Wasserpfützen; 1) Fehlinterpretation, dass die Vielfachen ein reales Ziel unter der Oberfläche darstellen und 2) dass diese Signale die Reflexionen von realen Objekten unter der Oberfläche unter der Pfütze maskieren.
Beachten Sie, dass diese Mehrfachreaktion NICHT auftritt, wenn der Boden einfach nass ist. Die Wassertiefe muss ausreichen, um sowohl die Sende- als auch die Empfangsantenne ins Wasser zu tauchen.
Wir haben dieses Phänomen im Subsurface Views-Newsletter vom April 2011 ausführlicher besprochen:
Die gleichen hier beschriebenen Prinzipien können zu nichtmetallischen Rohrvervielfachungen führen (Figure 7). Da das Rohr nicht aus Metall besteht, können GPR-Signale in das Rohr eindringen und vom Boden reflektiert werden. Ein Teil dieser Energie trifft dann auf die hochreflektierende Grenzfläche oben am Rohr und wird wieder nach unten reflektiert. GPR-Energie kann innerhalb des Rohrs ein- oder mehrmals reflektiert werden und dabei Hyperbeln erzeugen, die die hyperbolischen Reaktionen von der Ober- und Unterseite des Rohrs nachahmen. Dieser Effekt ist in wassergefüllten Rohren sehr ausgeprägt (da sich GPR-Signale im Wasser langsam ausbreiten und daher die Laufzeiten im Wasser länger sind).
Figure 7
GPR-Signalvervielfacher in einem nichtmetallischen Rohr. Der GPR-Querschnitt auf der rechten Seite zeigt die hyperbolischen Reaktionen vom oberen und unteren Ende des Rohrs, gefolgt vom ersten und zweiten Vielfachen. Die Hyperbeln haben vertikal den gleichen Abstand, da die Laufzeit bei jeder Reflexion um genau zwei Rohrdurchmesser zunimmt.
Der Laufzeitunterschied zwischen den Reflexionen kann zur Bestimmung des ungefähren Rohrdurchmessers verwendet werden (jedoch nur, wenn das Material im Rohr bekannt ist). Wir haben dies in einer Geschichte in unserem Newsletter vom Januar 2020 besprochen (https://www.sensoft.ca/blog/tips-determining-pipe-diameter-from-gpr-data/).
Unterirdische Minen
Unser letztes Beispiel stammt aus Daten, die im Tunnel eines Untertagebergwerks gesammelt wurden. Ein Kunde, Compass Minerals, schickte uns ein hervorragendes Beispiel für niederfrequente 100-MHz-Daten, die in einem Salzbergwerk mit einer Tiefe von etwa 15 Metern (50+ Fuß, Abbildung 8) gesammelt wurden.
Figure 8
100-MHz-Mittenfrequenzdaten, die in einem langen Tunnel in einem unterirdischen Salzbergwerk gesammelt wurden. Beachten Sie den höheren Frequenzgehalt, leicht wellige Reflektoren bei etwa 50 und 100 ns (2.5 und 5 m Tiefe). Dabei handelt es sich um Multiples von der Decke des Bergwerksstollens
Die Reflektoren bei etwa 50 und 100 ns sind ein Vielfaches von der Tunneldecke entfernt.
Figure 9
Zwei Vielfache, Reflexionen von der Tunneldecke, sind in den GPR-Querschnitten in Abbildung 8 und 10 beschriftet.
Ein Grund dafür, dass es sich hierbei wahrscheinlich um Vielfache handelt, liegt darin, dass sie geologische Strukturen durchschneiden (roter Kasten in Abbildung 10), was unwahrscheinlich wäre, wenn die Reflexion durch eine geologische Struktur verursacht würde.
Figure 10
Dieselben Daten wie in Abbildung 8, jedoch mit Anmerkungen zur Hervorhebung der Details. Das erste Vielfache beträgt etwa 50 ns und das zweite genau die doppelte Zeit, 100 ns. Ein Hinweis darauf, dass es sich um Vielfache handelt, ist, dass sie sich über geologische Merkmale erstrecken (rotes Kästchen). Beachten Sie den schwachen Reflektor unten im Abschnitt, der den starken Reflektor 50 ns darüber nachahmt.
Da die Geschwindigkeit des GPR-Signals in der Luft bekannt ist (Lichtgeschwindigkeit – 0.30 m/ns), wie die Vielfachen im obigen Beispiel für ein nichtmetallisches Rohr, können wir die Höhe des Tunnels berechnen:
Eine interessante Interpretationsübung besteht darin, festzustellen, ob der tiefere, schwächere, wellenförmige Reflektor in 12 bis 15 Metern Tiefe, der den stärkeren Reflektor in 9 bis 12 Metern Tiefe nachahmt, ein echter Reflektor oder ein Vielfaches ist. Wenn Sie bemerken, dass der Zeitunterschied 50 ns beträgt, genau das Gleiche wie die Vielfachen weiter oben im Abschnitt, kommen Sie schnell zu dem Schluss, dass er durch die GPR-Energie verursacht wird, die von der Decke reflektiert wird und in den Untergrund eindringt, um von der Realität reflektiert zu werden Reflektor bei 9 bis 12 Metern, mit einer Verzögerung von 50 ns – der Zeit, die benötigt wurde, um von der Decke zu reflektieren. Dieser Pfad wird durch die schwarzen Pfeile in Abbildung 11 animiert.
Figure 11
Der starke, wellenförmige Reflektor bei 9 bis 12 Metern in Abbildung 10 wird durch die GPR-Energie erzeugt, die dem Weg der blauen Pfeile in dieser Animation folgt. Der tiefere, schwächere Reflektor unten in Abbildung 10 ist wahrscheinlich kein echter Reflektor, sondern einer, der durch das GPR-Signal verursacht wird, das von der Decke des Tunnels reflektiert wird, bevor es in den Untergrund eintritt, und vom starken, welligen Reflektor in einer Tiefe von 9 reflektiert wird -bis-12-Meter (schwarze Pfeile). Diese Animation zeigt die Pfade der GPR-Signale, die zusammen den GPR-Querschnitt in den Abbildungen 8 und 10 erzeugen.
Vielfache sind in GPR-Daten nicht oft sichtbar, aber in Situationen mit einer hohen Reflektivitätsgrenze, wie in diesen Beispielen, achten Sie auf sie und achten Sie darauf, sie nicht als echte, unterirdische Reflektoren zu interpretieren.
