地中レーダー（GPR）とは何ですか？

地中レーダー（GPR）は、通常1〜1000 MHzの周波数範囲の電波を使用して、地中（または人工構造物）に埋もれている構造物や特徴をマッピングする手法に適用される一般的な用語です。 歴史的に、GPRは主に地中の構造物のマッピングに焦点を合わせていました。 最近では、GPRは非金属構造の非破壊検査に使用されています。

地面の内部構造を調査するために電波を適用するという概念は新しいものではありません。 間違いなく、この分野で最も成功した初期の研究は、北極と南極の氷床の厚さをマッピングし、氷河の厚さを鳴らすための音響測深機の使用でした。 氷以外の環境でのGPRの使用は、1970年代初頭に始まりました。 初期の研究は永久凍土の土壌への応用に焦点を合わせていました。

GPRアプリケーションは、適切な機器の想像力と可用性によってのみ制限されます。 最近、GPRは、埋設ユーティリティの特定、鉱山サイトの評価、法医学調査、考古学的発掘、埋没地雷と不発弾の検索、雪と氷の厚さと品質の測定など、さまざまな分野で使用されています。いくつか例を挙げると。

システムを教えてください。

GPRは魚群探知機と音響測深機のようなものです

GPRの何がそんなに難しいのですか？

なぜパイプがパイプのように見えないのですか？

• GPRレコードは地面の疑似画像です
• ローカライズされた機能は双曲線（逆V）になります
• GPRはすべての方向で信号を地面に送ります
• エコーはすべての方向から観察されます
• 最も近いアプローチ（ターゲットを超える）は、Vの頂点で発生します
• 逆V型の形状は、正確な深さを決定するのに役立ちます

地中レーダーの侵入深さはどれくらいですか？

「どれくらい深く見えますか？」 地中レーダー（GPR）ベンダーに尋ねられる最も一般的な質問です。 物理学はよく知られていますが、GPRを初めて使用するほとんどの人は、基本的な物理的制限があることに気づいていません。

多くの人々は、GPRの浸透は計装によって制限されていると考えています。 これはある程度真実ですが、探査の深さは主に材料自体によって支配され、計装の改善の量は基本的な物理的限界を克服しません。

浸透を制御するものは何ですか？

電波は、土壌、岩石、コンクリートなどのほとんどの人工材料を遠くまで透過しません。 トンネルを通って、または地下駐車場に車を運転している間にラジオ受信または携帯電話接続が失われたことは、これを証明しています。

GPRがまったく機能するという事実は、使用されている非常に感度の高い測定システムと特殊な状況に依存します。 図1に示すように、電波は指数関数的に減少し、すぐにエネルギー吸収材料で検出できなくなります。

図1：GPR信号は、土壌と岩石で指数関数的に減衰します。

指数関数的な減衰係数aは、主に電流を伝導する材料の能力によって決定されます。 単純で均一な材料では、これが通常支配的な要因です。 したがって、電気伝導率（または抵抗率）の測定によって減衰が決まります。

ほとんどの材料では、エネルギーは、材料の変動による散乱や水が存在することによっても失われます。 水には1000つの効果があります。 まず、水にはバルク導電率に寄与するイオンが含まれています。 第二に、水分子は通常XNUMX MHzを超える高周波で電磁エネルギーを吸収します（電子レンジが機能する理由を説明するのとまったく同じメカニズム）。

図2に示すように、減衰は周波数とともに増加します。GPRサウンドに適した環境では、通常、「GPRウィンドウ」を定義する減衰対周波数曲線にプラトーがあります。

図2：減衰は励起周波数と材料によって異なります。 この一連のグラフは、一般的な傾向を示しています。 低周波数（1000 MHz）では、水は強力なエネルギー吸収体です。

周波数を下げて浸透を改善することはできますか？

減衰は主に周波数とともに増加するため、周波数を下げると探索の深さが向上します。 ただし、周波数が低下すると、GPR測定の他のXNUMXつの基本的な側面が作用します。

まず、周波数を下げると解像度が低下します。 第二に、周波数が低すぎると、電磁界は波として伝わらず、拡散します。これは、誘導性EMまたは渦電流測定の領域です。

送信機の電力を上げることができないのはなぜですか？

送信機の電力を増やすことで、探査深度を増やすことができます。 残念ながら、探索の深さを増やすには、パワーを指数関数的に増やす必要があります。

図3：減衰によって探査深度が制限される場合、電力は深度とともに指数関数的に増加する必要があります。

図3は、図1に示されている減衰について、特定の深度までプローブするために必要な相対電力を示しています。探査深度の増加には大きな電源が必要であることがすぐにわかります。

実際の制約に加えて、政府は生成される可能性のある電波放射のレベルを規制しています。 GPR送信機の信号が大きくなりすぎると、他の機器、テレビ、ラジオ、携帯電話に干渉する可能性があります。 （残念ながら、これらの同じユビキタスデバイスは通常、GPR受信機のノイズの制限源です！）

探査深度を予測できますか？

はい、プローブする材料が電気的にわかっている場合は、多くの数値計算プログラムを利用できます。 探査深度の推定値を取得する最も簡単な方法は、レーダー距離方程式（RRE）分析を使用することです。 これらの計算を実行するためのソフトウェアが利用可能であり、この主題に関する多数の論文があります。 基本的な概念を図4に示します。

図4：ここにフローチャート形式で示されているレーダー範囲は、エネルギー分布を決定し、探査深度を推定する手段を提供します。

RRE分析は、パラメトリック研究および感度分析にとって非常に強力です。

レーダー範囲が複雑すぎます！

多くのユーザーは、RREは日常的に使用するには複雑すぎると言います。 詳細な計算を行いたくない場合は、次のより簡単な経験則を使用して探査深度を推定することをお勧めします。

D = 35 /メートル

ここで、はmS / m単位の導電率です。 RREほど信頼性は高くありませんが、この有用なルールは多くの地質環境で非常に役立ちます。

さらに簡単なアプローチは、一般的な材料で達成された探査深度の表またはチャートを使用することです。 GPRで遭遇する一般的な材料のチャートの例を図5に示します。

図5：一般的な材料の探査深度のチャート。 これらのデータは、「ベストケース」の観察に基づいています。 図9が示すように、材料だけでは探査深度の真の尺度ではありません。

図6、7、および8は、深い探査から浅い探査までの範囲の例を示しています。 材料タイプは、探査深度を制御するために見ることができます。 残念ながら、調査地域の資料だけを知っているだけでは、探査を常に予測できるとは限りません。

図6：巨大な花崗岩からのデータ–反射は割れ目です。 図7：湿った砂の堆積物の層を示すデータ。 図8：データは湿ったシルト質粘土のバレルの応答を示しています。

図9は、地質が基本的に均一であるが、探査の深さが大きく変動するセクションを示しています。 地質学的材料が不変である間、細孔の水の伝導率は変化します！ この場合、導電率を知ることは、材料を知ることよりも探査深度のより良い尺度を提供します。

図9：砂の設定からのGPRセクション。 探査の深さは、砂の材料ではなく、間隙水の導電率によって決まります。 埋め立て地から浸出する汚染物質は、位置によって導電率（および探査深度）が変動します。

GPRアプリケーションと適切な周波数

アプリケーション別のシステムとアンテナ