Was ist Bodenradar (Ground Penetrating Radar, GPR)?

Penetrating Radar (GPR) ist der allgemeine Begriff für Techniken, die Funkwellen verwenden, typischerweise im Frequenzbereich von 1 bis 1000 MHz, um Strukturen und Merkmale abzubilden, die im Boden (oder in künstlichen Strukturen) vergraben sind. In der Vergangenheit konzentrierte sich GPR hauptsächlich auf die Kartierung von Strukturen im Boden. In jüngerer Zeit wurde GPR bei der zerstörungsfreien Prüfung nichtmetallischer Strukturen eingesetzt.

Das Konzept der Anwendung von Funkwellen zur Untersuchung der inneren Struktur des Bodens ist nicht neu. Ohne Zweifel war die erfolgreichste frühe Arbeit in diesem Bereich die Verwendung von Radio-Echoloten, um die Dicke der Eisplatten in der Arktis und Antarktis abzubilden und die Dicke der Gletscher zu ermitteln. Die Arbeit mit GPR in Umgebungen ohne Eis begann Anfang der 1970er Jahre. Frühe Arbeiten konzentrierten sich auf Permafrost-Bodenanwendungen.

GPR-Anwendungen sind nur durch die Vorstellungskraft und Verfügbarkeit geeigneter Instrumente begrenzt. Heutzutage wird GPR in vielen verschiedenen Bereichen eingesetzt, einschließlich der Suche nach vergrabenen Versorgungsunternehmen, der Bewertung von Minenstandorten, forensischen Untersuchungen, archäologischen Ausgrabungen, der Suche nach vergrabenen Landminen und nicht explodierten Kampfmitteln sowie der Messung der Schnee- und Eisdicke und -qualität für das Skipistenmanagement und die Lawinenvorhersage. um ein paar zu nennen.

Wie funktioniert es?

GPR ist wie ein Fischfinder und ein Echolot

Was ist so schwer an GPR?

Warum sieht die Pfeife nicht wie eine Pfeife aus?

• Der GPR-Datensatz ist ein Pseudobild des Bodens
• Lokalisierte Merkmale werden zu Hyperbeln (invertierte Vs).
• Der GPR sendet Signale in alle Richtungen in den Boden
• Echos werden aus allen Richtungen beobachtet
• Die nächste Annäherung (über dem Ziel) erfolgt am Scheitelpunkt von V.
• Die Form des umgekehrten V hilft bei der Bestimmung der genauen Tiefe

Was ist die Eindringtiefe für Bodenradar?

"Wie tief kannst du sehen?" ist die häufigste Frage, die von Anbietern von Bodenradargeräten (GPR) gestellt wird. Obwohl die Physik bekannt ist, erkennen die meisten GPR-Neulinge nicht, dass es grundlegende physikalische Einschränkungen gibt.

Viele Leute denken, dass die GPR-Penetration durch Instrumentierung begrenzt wird. Dies trifft bis zu einem gewissen Grad zu, aber die Explorationstiefe wird hauptsächlich vom Material selbst bestimmt, und keine Verbesserung der Instrumentierung wird die grundlegenden physikalischen Grenzen überwinden.

Was steuert die Penetration?

Radiowellen dringen nicht weit durch Böden, Felsen und die meisten künstlichen Materialien wie Beton. Der Verlust des Funkempfangs oder der Handyverbindung beim Fahren eines Autos durch einen Tunnel oder in eine Tiefgarage bestätigt dies.

Die Tatsache, dass GPR überhaupt funktioniert, hängt von den verwendeten sehr empfindlichen Messsystemen und den besonderen Umständen ab. Radiowellen nehmen exponentiell ab und werden in energieabsorbierenden Materialien bald nicht mehr nachweisbar, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: GPR-Signale fallen in Boden und Gestein exponentiell ab.

Der exponentielle Dämpfungskoeffizient a wird hauptsächlich durch die Fähigkeit des Materials bestimmt, elektrische Ströme zu leiten. Bei einfachen einheitlichen Materialien ist dies normalerweise der dominierende Faktor; Somit bestimmt eine Messung der elektrischen Leitfähigkeit (oder des spezifischen Widerstands) die Dämpfung.

In den meisten Materialien geht Energie auch durch Streuung aufgrund von Materialvariabilität und durch Vorhandensein von Wasser verloren. Wasser hat zwei Wirkungen; Erstens enthält Wasser Ionen, die zur Volumenleitfähigkeit beitragen. Zweitens absorbiert das Wassermolekül elektromagnetische Energie bei hohen Frequenzen, die typischerweise über 1000 MHz liegen (genau derselbe Mechanismus, der erklärt, warum Mikrowellenöfen funktionieren).

Die Dämpfung nimmt mit der Frequenz zu, wie in Abbildung 2 dargestellt. In Umgebungen, die für GPR-Geräusche geeignet sind, gibt es normalerweise ein Plateau in der Kurve zwischen Dämpfung und Frequenz, das das „GPR-Fenster“ definiert.

Abbildung 2: Die Dämpfung variiert mit der Anregungsfrequenz und dem Material. Diese Familie von Diagrammen zeigt allgemeine Trends. Bei niedrigen Frequenzen (1000 MHz) ist Wasser ein starker Energieabsorber.

Kann ich die Frequenz verringern, um die Penetration zu verbessern?

Durch Verringern der Frequenz wird die Erkundungstiefe verbessert, da die Dämpfung hauptsächlich mit der Frequenz zunimmt. Mit abnehmender Frequenz kommen jedoch zwei weitere grundlegende Aspekte der GPR-Messung ins Spiel.

Erstens führt das Verringern der Frequenz zu einem Auflösungsverlust. Zweitens, wenn die Frequenz zu niedrig ist, bewegen sich elektromagnetische Felder nicht mehr als Wellen, sondern diffundieren, was der Bereich induktiver EM- oder Wirbelstrommessungen ist.

Warum kann ich meine Sendeleistung nicht einfach erhöhen?

Man kann die Erkundungstiefe erhöhen, indem man die Sendeleistung erhöht. Leider muss die Leistung exponentiell ansteigen, um die Erkundungstiefe zu erhöhen.

Abbildung 3: Wenn die Dämpfung die Erkundungstiefe begrenzt, muss die Leistung mit der Tiefe exponentiell ansteigen.

Abbildung 3 zeigt die relative Leistung, die erforderlich ist, um für die in Abbildung 1 dargestellten Dämpfungen auf eine bestimmte Tiefe abzutasten.

Zusätzlich zu den praktischen Einschränkungen regeln die Regierungen die Höhe der Funkemissionen, die erzeugt werden können. Wenn die GPR-Sendersignale zu groß werden, können sie andere Instrumente, Fernseher, Radios und Mobiltelefone stören. (Leider sind dieselben allgegenwärtigen Geräte normalerweise die begrenzenden Rauschquellen für GPR-Empfänger!)

Kann ich die Erkundungstiefe vorhersagen?

Ja, sofern das zu untersuchende Material elektrisch bekannt ist, stehen viele numerische Berechnungsprogramme zur Verfügung. Der einfachste Weg, Schätzungen der Explorationstiefe zu erhalten, ist die Verwendung der Radarentfernungsgleichungsanalyse (RRE). Software zur Durchführung dieser Berechnungen ist verfügbar und es gibt zahlreiche Artikel zu diesem Thema. Die Grundkonzepte sind in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4: Die hier in Flussdiagrammform dargestellte Radarreichweite bestimmt die Energieverteilung und bietet eine Möglichkeit zur Schätzung der Explorationstiefe.

Die RRE-Analyse ist sehr leistungsfähig für parametrische Studien und Sensitivitätsanalysen.

Radarreichweite ist zu kompliziert!

Viele Benutzer sagen, dass RRE für den Routineeinsatz zu kompliziert ist. Wenn Sie keine detaillierten Berechnungen durchführen möchten, empfehlen wir die Verwendung der folgenden einfacheren Faustregel zur Schätzung der Explorationstiefe

D = 35 / Meter

wo ist Leitfähigkeit in mS / m. Diese hilfreiche Regel ist zwar nicht so zuverlässig wie die RRE, aber in vielen geologischen Umgebungen sehr nützlich.

Ein noch einfacherer Ansatz besteht darin, eine Tabelle oder ein Diagramm der Explorationstiefen zu verwenden, die in gängigen Materialien erreicht werden. Ein Beispieldiagramm für gängige Materialien, die mit GPR auftreten, ist in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5: Diagramm der Explorationstiefen in gängigen Materialien. Diese Daten basieren auf Best-Case-Beobachtungen. Wie Abbildung 9 zeigt, ist Material allein kein echtes Maß für die Explorationstiefe.

Die Abbildungen 6, 7 und 8 zeigen Beispiele, die von tiefer bis flacher Erkundung reichen. Der Materialtyp steuert die Explorationstiefe. Leider kann die Exploration nicht immer vorhergesagt werden, wenn nur das Material im Untersuchungsgebiet bekannt ist.

Abbildung 6: Daten von einem massiven Granit - Reflexionen sind Brüche. Abbildung 7: Daten zur Einstreu in feuchten Sandablagerungen. Abbildung 8: Die Daten zeigen die Reaktion von Fässern in feuchtem, schlammigem Ton.

Abbildung 9 zeigt einen Abschnitt, in dem die Geologie grundsätzlich einheitlich ist, die Erkundungstiefe jedoch sehr unterschiedlich ist. Die Leitfähigkeit des Porenwassers variiert, während das geologische Material unveränderlich ist! In diesem Fall liefert die Kenntnis der Leitfähigkeit ein besseres Maß für die Erkundungstiefe als die Kenntnis des Materials.

Abbildung 9: GPR-Schnitt aus der Sandeinstellung. Die Explorationstiefe wird durch die Porenwasserleitfähigkeit bestimmt - nicht durch das Sandmaterial. Aus einer Deponie auslaugende Verunreinigungen verursachen eine variable Leitfähigkeit (und Explorationstiefe) mit der Position.

GPR-Anwendungen und geeignete Frequenzen

Systeme und Antennen nach Anwendungen