¿Qué es el radar de penetración terrestre (GPR)?

Radar penetrante (GPR) es el término general aplicado a las técnicas que emplean ondas de radio, típicamente en el rango de frecuencia de 1 a 1000 MHz, para mapear estructuras y características enterradas en el suelo (o en estructuras artificiales). Históricamente, GPR se centró principalmente en cartografiar estructuras en el suelo; más recientemente, el GPR se ha utilizado en ensayos no destructivos de estructuras no metálicas.

El concepto de aplicar ondas de radio para sondear la estructura interna del suelo no es nuevo. Sin duda, el trabajo inicial más exitoso en esta área fue el uso de ecosondas de radio para mapear el espesor de las capas de hielo en el Ártico y la Antártida y sondear el espesor de los glaciares. El trabajo con GPR en entornos sin hielo comenzó a principios de la década de 1970. El trabajo inicial se centró en las aplicaciones del suelo de permafrost.

Las aplicaciones de GPR están limitadas únicamente por la imaginación y la disponibilidad de la instrumentación adecuada. En estos días, el GPR se está utilizando en muchas áreas diferentes, incluida la localización de servicios públicos enterrados, la evaluación del sitio de la mina, las investigaciones forenses, las excavaciones arqueológicas, la búsqueda de minas terrestres enterradas y municiones sin detonar, y la medición del espesor y la calidad de la nieve y el hielo para la gestión de pistas de esquí y la predicción de avalanchas. para nombrar unos pocos.

¿Cómo funciona?

GPR es como un buscador de peces y ecosonda

¿Qué tiene de duro GPR?

¿Por qué la pipa no parece una pipa?

• el registro GPR es una pseudo imagen del suelo
• las características localizadas se convierten en hipérbolas (V invertidas)
• el GPR envía señales al suelo en todas las direcciones
• los ecos se observan desde todas las direcciones
• El acercamiento más cercano (sobre el objetivo) ocurre en el vértice de V
• la forma de V invertida ayuda a determinar la profundidad exacta

¿Cuál es la profundidad de penetración del radar de penetración terrestre?

"¿Qué tan profundo puedes ver?" es la pregunta más común que se les hace a los proveedores de radares de penetración terrestre (GPR). Si bien la física es bien conocida, la mayoría de las personas nuevas en GPR no se dan cuenta de que existen limitaciones físicas fundamentales.

Mucha gente piensa que la penetración de GPR está limitada por la instrumentación. Esto es cierto hasta cierto punto, pero la profundidad de exploración se rige principalmente por el material en sí y ninguna mejora en la instrumentación superará los límites físicos fundamentales.

¿Qué controla la penetración?

Las ondas de radio no penetran mucho en los suelos, las rocas y la mayoría de los materiales artificiales como el hormigón. La pérdida de la recepción de radio o la conexión del teléfono celular mientras se conduce un automóvil a través de un túnel o en un estacionamiento subterráneo lo atestigua.

El hecho de que GPR funcione depende del uso de sistemas de medición muy sensibles y de circunstancias especializadas. Las ondas de radio disminuyen exponencialmente y pronto se vuelven indetectables en los materiales que absorben energía, como se muestra en la Figura 1.

Figura 1: Las señales de GPR decaen exponencialmente en suelo y roca.

El coeficiente de atenuación exponencial, a, está determinado principalmente por la capacidad del material para conducir corrientes eléctricas. En materiales uniformes simples, este suele ser el factor dominante; por tanto, una medida de conductividad eléctrica (o resistividad) determina la atenuación.

En la mayoría de los materiales, la energía también se pierde por la dispersión de la variabilidad del material y por la presencia de agua. El agua tiene dos efectos; primero, el agua contiene iones que contribuyen a la conductividad general. En segundo lugar, la molécula de agua absorbe energía electromagnética a altas frecuencias, típicamente por encima de 1000 MHz (exactamente el mismo mecanismo que explica por qué funcionan los hornos microondas).

La atenuación aumenta con la frecuencia como se muestra en la Figura 2. En entornos que son susceptibles de sondeo GPR, generalmente hay una meseta en la curva de atenuación versus frecuencia que define la “ventana GPR”.

Figura 2: La atenuación varía con la frecuencia de excitación y el material. Esta familia de gráficos muestra tendencias generales. A bajas frecuencias (1000 MHz) el agua es un fuerte absorbedor de energía.

¿Puedo disminuir la frecuencia para mejorar la penetración?

La reducción de la frecuencia mejora la profundidad de exploración porque la atenuación aumenta principalmente con la frecuencia. Sin embargo, a medida que la frecuencia disminuye, entran en juego otros dos aspectos fundamentales de la medición de GPR.

Primero, reducir la frecuencia da como resultado una pérdida de resolución. En segundo lugar, si la frecuencia es demasiado baja, los campos electromagnéticos ya no viajan como ondas sino que se difunden, que es el ámbito de las mediciones inductivas de EM o de corrientes parásitas.

¿Por qué no puedo simplemente aumentar la potencia de mi transmisor?

Se puede aumentar la profundidad de exploración aumentando la potencia del transmisor. Desafortunadamente, el poder debe aumentar exponencialmente para aumentar la profundidad de exploración.

Figura 3: Cuando la atenuación limita la profundidad de exploración, la potencia debe aumentar exponencialmente con la profundidad.

La Figura 3 muestra la potencia relativa necesaria para sondear a una profundidad dada para las atenuaciones representadas en la Figura 1. Uno puede ver fácilmente que los aumentos en la profundidad de exploración requieren grandes fuentes de energía.

Además de las limitaciones prácticas, los gobiernos regulan el nivel de emisiones de radio que se pueden generar. Si las señales del transmisor GPR son demasiado grandes, pueden interferir con otros instrumentos, televisores, radios y teléfonos móviles. (Desafortunadamente, estos mismos dispositivos ubicuos suelen ser las fuentes limitantes de ruido para los receptores GPR).

¿Puedo predecir la profundidad de exploración?

Sí, siempre que se conozca eléctricamente el material que se va a probar, hay disponibles muchos programas de cálculo numérico. La forma más sencilla de obtener estimaciones de la profundidad de exploración es utilizar el análisis de la ecuación de alcance del radar (RRE). Se dispone de software para realizar estos cálculos y existen numerosos artículos sobre el tema. Los conceptos básicos se muestran en la Figura 4.

Figura 4: El alcance del radar, que se muestra aquí en forma de diagrama de flujo, determina la distribución de energía y proporciona un medio para estimar la profundidad de exploración.

El análisis RRE es muy poderoso para estudios paramétricos y análisis de sensibilidad.

¡El alcance del radar es demasiado complicado!

Muchos usuarios dicen que RRE es demasiado complicado para el uso rutinario. Si no le gusta entrar en cálculos detallados, le sugerimos que utilice la siguiente regla empírica más simple para estimar la profundidad de exploración

D = 35 / metros

donde es la conductividad en mS / m. Si bien no es tan confiable como el RRE, esta útil regla es bastante útil en muchos entornos geológicos.

Un enfoque aún más simple es usar una tabla o gráfico de profundidades de exploración obtenidas en materiales comunes. En la Figura 5 se muestra un gráfico de ejemplo de materiales comunes que se encuentran con GPR.

Figura 5: Cuadro de profundidades de exploración en materiales comunes. Estos datos se basan en observaciones del "mejor caso". Como demuestra la Figura 9, el material por sí solo no es una verdadera medida de la profundidad de exploración.

Las figuras 6, 7 y 8 muestran ejemplos que van desde exploración profunda a superficial. Se puede ver que el tipo de material controla la profundidad de exploración. Desafortunadamente, la exploración no siempre se puede predecir conociendo solo el material en el área de estudio.

Figura 6: Datos de un granito masivo: los reflejos son fracturas. Figura 7: Datos que muestran el lecho en depósitos de arena húmeda. Figura 8: Los datos muestran la respuesta de los barriles en arcilla limosa húmeda.

La Figura 9 muestra una sección donde la geología es básicamente uniforme pero la profundidad de exploración es muy variable. La conductividad del agua de poros varía mientras que el material geológico es invariante. En este caso, conocer la conductividad proporciona una mejor medida de la profundidad de exploración que conocer el material.

Figura 9: Sección de GPR del ajuste de arena. La profundidad de exploración está determinada por la conductividad del agua de los poros, no por el material de arena. Los contaminantes que se filtran desde un relleno sanitario causan una conductividad variable (y profundidad de exploración) con la posición.

Aplicaciones GPR y frecuencias adecuadas

Sistemas y antenas por aplicaciones