O que é Radar de Penetração no Solo (GPR)?

Radar penetrante (GPR) é o termo geral aplicado a técnicas que empregam ondas de rádio, normalmente na faixa de frequência de 1 a 1000 MHz, para mapear estruturas e recursos enterrados no solo (ou em estruturas feitas pelo homem). Historicamente, o GPR se concentrava principalmente no mapeamento de estruturas no solo; mais recentemente, o GPR tem sido usado em testes não destrutivos de estruturas não metálicas.

O conceito de aplicação de ondas de rádio para sondar a estrutura interna do solo não é novo. Sem dúvida, o trabalho inicial de maior sucesso nesta área foi o uso de sondas de eco de rádio para mapear a espessura das camadas de gelo no Ártico e na Antártica e sondar a espessura das geleiras. O trabalho com GPR em ambientes sem gelo começou no início dos anos 1970. Os primeiros trabalhos se concentraram em aplicações de solo congelado.

As aplicações GPR são limitadas apenas pela imaginação e disponibilidade de instrumentação adequada. Atualmente, o GPR está sendo usado em muitas áreas diferentes, incluindo a localização de utilidades enterradas, avaliação do local da mina, investigações forenses, escavações arqueológicas, busca de minas terrestres enterradas e munições não detonadas e medição da espessura e qualidade da neve e do gelo para gerenciamento de pistas de esqui e previsão de avalanches, para nomear alguns.

Como funciona?

O GPR é como um localizador de peixes e sondador de eco

O que há de tão difícil no GPR?

Por que o cachimbo não se parece com um cachimbo?

• o registro GPR é uma pseudo imagem do solo
• características localizadas tornam-se hipérboles (V's invertidos)
• o GPR envia sinais para o solo em todas as direções
• ecos são observados de todas as direções
• a aproximação mais próxima (sobre o alvo) ocorre no ápice de V
• forma de V invertido ajuda a determinar a profundidade exata

Qual é a profundidade de penetração do Radar de Penetração no Solo?

"Quão profundo você consegue ver?" é a pergunta mais comum feita a fornecedores de radar de penetração no solo (GPR). Embora a física seja bem conhecida, a maioria das pessoas novas no GPR não percebe que existem limitações físicas fundamentais.

Muitas pessoas pensam que a penetração do GPR é limitada pela instrumentação. Isso é verdade até certo ponto, mas a profundidade da exploração é principalmente governada pelo próprio material e nenhuma melhoria na instrumentação superará os limites físicos fundamentais.

O que controla a penetração?

As ondas de rádio não penetram muito nos solos, rochas e na maioria dos materiais feitos pelo homem, como o concreto. A perda de recepção de rádio ou conexão de telefone celular ao dirigir um carro através de um túnel ou em um estacionamento subterrâneo atesta isso.

O fato de o GPR funcionar depende do uso de sistemas de medição muito sensíveis e de circunstâncias especializadas. As ondas de rádio diminuem exponencialmente e logo se tornam indetectáveis ​​em materiais que absorvem energia, conforme ilustrado na Figura 1.

Figura 1: Os sinais GPR decaem exponencialmente no solo e na rocha.

O coeficiente de atenuação exponencial, a, é determinado principalmente pela capacidade do material de conduzir correntes elétricas. Em materiais uniformes simples, este é geralmente o fator dominante; assim, uma medição de condutividade elétrica (ou resistividade) determina a atenuação.

Na maioria dos materiais, a energia também é perdida na dispersão da variabilidade do material e na presença de água. A água tem dois efeitos; primeiro, a água contém íons que contribuem para a condutividade total. Em segundo lugar, a molécula de água absorve energia eletromagnética em altas frequências, normalmente acima de 1000 MHz (exatamente o mesmo mecanismo que explica por que os fornos de microondas funcionam).

A atenuação aumenta com a frequência, conforme ilustrado na Figura 2. Em ambientes que são receptivos à sonorização GPR, geralmente há um platô na curva de atenuação versus frequência que define a “janela GPR”.

Figura 2: A atenuação varia com a frequência de excitação e o material. Esta família de gráficos descreve tendências gerais. Em baixas frequências (1000 MHz), a água é um forte absorvedor de energia.

Posso diminuir a frequência para melhorar a penetração?

Diminuir a frequência melhora a profundidade da exploração porque a atenuação aumenta principalmente com a frequência. À medida que a frequência diminui, no entanto, dois outros aspectos fundamentais da medição GPR entram em jogo.

Em primeiro lugar, reduzir a frequência resulta em perda de resolução. Em segundo lugar, se a frequência for muito baixa, os campos eletromagnéticos não se propagam mais como ondas, mas se espalham, o que é o reino das medições EM indutivas ou de correntes parasitas.

Por que não posso simplesmente aumentar a potência do meu transmissor?

Pode-se aumentar a profundidade de exploração aumentando a potência do transmissor. Infelizmente, a potência deve aumentar exponencialmente para aumentar a profundidade de exploração.

Figura 3: Quando a atenuação limita a profundidade de exploração, a potência deve aumentar exponencialmente com a profundidade.

A Figura 3 mostra a potência relativa necessária para sondar a uma determinada profundidade para as atenuações representadas na Figura 1. Pode-se ver prontamente que aumentos na profundidade de exploração requerem grandes fontes de energia.

Além das restrições práticas, os governos regulam o nível de emissões de rádio que podem ser geradas. Se os sinais do transmissor GPR ficarem muito grandes, eles podem interferir em outros instrumentos, TVs, rádios e telefones celulares. (Infelizmente, esses mesmos dispositivos onipresentes geralmente são as fontes limitantes de ruído para receptores GPR!)

Posso prever a profundidade da exploração?

Sim, desde que o material a ser sondado seja conhecido eletricamente, muitos programas de cálculo numérico estão disponíveis. A maneira mais simples de obter estimativas da profundidade de exploração é usar a análise da equação de alcance do radar (RRE). Um software para realizar esses cálculos está disponível e há inúmeros trabalhos sobre o assunto. Os conceitos básicos são descritos na Figura 4.

Figura 4: O alcance do radar, mostrado aqui na forma de fluxograma, determina a distribuição de energia e fornece um meio de estimar a profundidade de exploração.

A análise RRE é muito poderosa para estudos paramétricos e análises de sensibilidade.

O alcance do radar é muito complicado!

Muitos usuários dizem que o RRE é muito complicado para o uso rotineiro. Se você não gosta de cálculos detalhados, sugerimos o uso da seguinte regra prática mais simples para estimar a profundidade de exploração

D = 35 / metros

onde é a condutividade em mS / m. Embora não seja tão confiável quanto o RRE, esta regra útil é bastante útil em muitos ambientes geológicos.

Uma abordagem ainda mais simples é usar uma tabela ou gráfico das profundidades de exploração obtidas em materiais comuns. Um gráfico de exemplo para materiais comuns encontrados com GPR é mostrado na Figura 5.

Figura 5: Gráfico de profundidades de exploração em materiais comuns. Esses dados são baseados em observações do “melhor caso”. Como a Figura 9 demonstra, o material por si só não é uma medida verdadeira da profundidade de exploração.

As Figuras 6, 7 e 8 mostram exemplos que variam de exploração profunda a rasa. O tipo de material pode ser visto para controlar a profundidade de exploração. Infelizmente, a exploração nem sempre pode ser prevista conhecendo-se apenas o material na área de levantamento.

Figura 6: Dados de um granito maciço - reflexos são fraturas. Figura 7: Dados mostrando estratificação em depósitos de areia úmida. Figura 8: Os dados mostram a resposta de barris em argila siltosa úmida.

A Figura 9 mostra uma seção onde a geologia é basicamente uniforme, mas a profundidade de exploração é altamente variável. A condutividade da água dos poros está variando enquanto o material geológico é invariante! Nesse caso, conhecer a condutividade fornece uma medida melhor da profundidade de exploração do que conhecer o material.

Figura 9: Seção GPR da configuração de areia. A profundidade da exploração é determinada pela condutividade da água dos poros - não pelo material da areia. A lixiviação de contaminantes de um aterro sanitário causa condutividade variável (e profundidade de exploração) com a posição.

Aplicações GPR e frequências adequadas

Sistemas e antenas por aplicativos