Georadar

Radargram penetrujący ziemię zebrany na historycznym cmentarzu w Alabamie w USA . Hiperboliczne przybycia (strzałki) wskazują na obecność dyfraktorów zakopanych pod powierzchnią, prawdopodobnie związanych z pochówkami ludzkimi. Obecne są również odbicia od warstw gleby (linie przerywane).

Radar penetrujący ziemię ( GPR ) to metoda geofizyczna wykorzystująca impulsy radarowe do obrazowania podpowierzchni. Jest to nieinwazyjna metoda badania podłoża w celu zbadania podziemnych instalacji, takich jak beton, asfalt, metale, rury, kable lub mur. Ta nieniszcząca metoda wykorzystuje promieniowanie elektromagnetyczne w paśmie mikrofalowym ( częstotliwości UHF / VHF ) widma radiowego i wykrywa odbite sygnały od struktur podpowierzchniowych. Georadar może mieć zastosowanie w różnych mediach, w tym w skałach, glebie, lodzie, słodkiej wodzie, chodnikach i konstrukcjach. W odpowiednich warunkach praktycy mogą używać georadaru do wykrywania obiektów podpowierzchniowych, zmian właściwości materiałów oraz pustych przestrzeni i pęknięć.

GPR wykorzystuje fale radiowe o wysokiej częstotliwości (zwykle spolaryzowane), zwykle w zakresie od 10 MHz do 2,6 GHz. Nadajnik i antena georadarowa emitują energię elektromagnetyczną do ziemi. Kiedy energia napotka zakopany obiekt lub granicę między materiałami o różnych przenikalności , może zostać odbita, załamana lub rozproszona z powrotem na powierzchnię. Antena odbiorcza może następnie rejestrować zmiany sygnału zwrotnego. Obowiązujące zasady są podobne do sejsmologii , z tym wyjątkiem, że metody georadarowe wykorzystują energię elektromagnetyczną, a nie akustyczną energia, a energia może być odbijana na granicach, gdzie zmieniają się podpowierzchniowe właściwości elektryczne, a nie podpowierzchniowe właściwości mechaniczne, jak ma to miejsce w przypadku energii sejsmicznej.

Przewodność elektryczna gruntu, transmitowana częstotliwość środkowa i moc promieniowana mogą ograniczać efektywny zakres głębokości badań georadarowych. Wzrost przewodności elektrycznej osłabia wprowadzaną falę elektromagnetyczną, a tym samym zmniejsza się głębokość wnikania. Ze względu na zależne od częstotliwości mechanizmy tłumienia, wyższe częstotliwości nie przenikają tak daleko, jak niższe. Jednak wyższe częstotliwości mogą zapewnić lepszą rozdzielczość . Dlatego częstotliwość robocza jest zawsze kompromisem między rozdzielczością a penetracją. Optymalną głębokość penetracji podpowierzchniowej uzyskuje się w lodzie, gdzie głębokość penetracji może sięgać kilku tysięcy metrów (do podłoża skalnego na Grenlandii) przy niskich częstotliwościach georadarowych. Suche gleby piaszczyste lub masywne suche materiały, takie jak granit , wapień i beton , są raczej rezystancyjne niż przewodzące, a głębokość penetracji może dochodzić do 15 metrów (49 stóp). Jednak w wilgotnych lub gliniastych glebach i materiałach o wysokiej przewodności elektrycznej penetracja może wynosić zaledwie kilka centymetrów.

Anteny radarowe penetrujące ziemię są na ogół w kontakcie z ziemią w celu uzyskania najsilniejszego sygnału; jednak anteny wystrzeliwane z powietrza GPR mogą być używane nad ziemią.

Georadar georadarowy w otworach krzyżowych rozwinął się w dziedzinie hydrogeofizyki jako cenny sposób oceny obecności i ilości wody w glebie .

Historia

Pierwszy patent na system przeznaczony do wykorzystywania radaru fali ciągłej do lokalizacji zakopanych obiektów został złożony przez Gotthelfa Leimbacha i Heinricha Löwy'ego w 1910 r., sześć lat po pierwszym patencie na sam radar (patent DE 237 944). Patent na system wykorzystujący impulsy radarowe zamiast fali ciągłej został złożony w 1926 roku przez dr Hülsenbecka (DE 489 434), co doprowadziło do poprawy rozdzielczości głębi. Głębokość lodowca została zmierzona za pomocą radaru penetrującego ziemię w 1929 roku przez W. Sterna.

Dalszy rozwój w tej dziedzinie był niewielki aż do lat 70. XX wieku, kiedy zastosowania wojskowe zaczęły napędzać badania. Potem pojawiły się zastosowania komercyjne, a pierwszy niedrogi sprzęt konsumencki został sprzedany w 1975 roku.

na orbitę wokół Księżyca radar penetrujący ziemię o nazwie ALSE (Apollo Lunar Sounder Experiment). Był w stanie rejestrować informacje o głębokości do 1,3 km i rejestrować wyniki na filmie z powodu braku odpowiedniej pamięci komputera w tamtym czasie.

Aplikacje

Radar do penetracji gruntu używany w pobliżu Stillwater w stanie Oklahoma w USA w 2010 roku
Gruntowe badanie radarowe stanowiska archeologicznego w Jordanii

Georadar ma wiele zastosowań w wielu dziedzinach. W naukach o Ziemi służy do badania podłoża skalnego , gleb, wód gruntowych i lodu . Jest to przydatne w poszukiwaniu bryłek złota i diamentów w aluwialnych pokładach żwiru, poprzez znajdowanie naturalnych pułapek w zakopanych korytach strumieni, które mogą gromadzić cięższe cząstki. Chiński łazik księżycowy Yutu ma na spodzie georadar do badania gleby i skorupy Księżyca.

Zastosowania inżynieryjne obejmują badania nieniszczące (NDT) konstrukcji i nawierzchni, lokalizowanie zakopanych konstrukcji i linii uzbrojenia oraz badanie gleby i podłoża skalnego. W rekultywacji środowiska GPR jest używany do określania składowisk odpadów, smug zanieczyszczeń i innych miejsc rekultywacji, podczas gdy w archeologii jest używany do mapowania obiektów archeologicznych i cmentarzy. Georadar jest używany w organach ścigania do lokalizowania tajnych grobów i zakopanych dowodów. Zastosowania wojskowe obejmują wykrywanie min, niewybuchów i tuneli.

Radary otworowe wykorzystujące GPR są używane do mapowania struktur z otworu wiertniczego w zastosowaniach górnictwa podziemnego. Nowoczesne kierunkowe systemy radarowe w otworach wiertniczych są w stanie generować trójwymiarowe obrazy na podstawie pomiarów w jednym otworze wiertniczym.

Jednym z innych głównych zastosowań radarów do penetracji gruntu jest lokalizowanie podziemnych instalacji. Standardowe narzędzia do lokalizowania mediów wykorzystujące indukcję elektromagnetyczną wymagają, aby narzędzia były przewodzące. Narzędzia te są nieskuteczne przy lokalizowaniu plastikowych peszli czy betonowych kanałów burzowych i sanitarnych. Ponieważ georadar wykrywa zmiany właściwości dielektrycznych w podłożu, może być bardzo skuteczny w lokalizowaniu nieprzewodzących mediów.

Georadar był często używany w programie telewizyjnym Channel 4 Time Team , który wykorzystywał tę technologię do określenia odpowiedniego obszaru do badań za pomocą wykopalisk. GPR został również wykorzystany do odzyskania 150 000 funtów okupu w gotówce, które Michael Sams zakopał na polu po porwaniu agenta nieruchomości w 1992 roku.

Wojskowy

Wojskowe zastosowania radaru penetrującego ziemię obejmują wykrywanie niewybuchów i wykrywanie tuneli. W zastosowaniach wojskowych i innych powszechnych zastosowaniach georadarowych praktycy często stosują georadar w połączeniu z innymi dostępnymi technikami geofizycznymi, takimi jak metody oporności elektrycznej i indukcji elektromagnetycznej .

W maju 2020 r. wojsko USA zamówiło system radarowy do penetracji ziemi od firmy Chemring Sensors and Electronics Systems (CSES) w celu wykrywania improwizowanych urządzeń wybuchowych (IED) zakopanych w jezdniach za kwotę 200,2 mln USD.

Lokalizacja pojazdu

Zademonstrowano niedawno nowatorskie podejście do lokalizacji pojazdów przy użyciu wcześniejszych obrazów opartych na mapach z radaru penetrującego ziemię. Określany jako „lokalizujący radar penetrujący grunt” (LGPR), wykazano dokładność na poziomie centymetra przy prędkościach do 100 km / h (60 mil / h). Działanie w pętli zamkniętej zostało po raz pierwszy zademonstrowane w 2012 r. dla autonomicznego kierowania pojazdem i wprowadzone do operacji wojskowych w 2013 r. W 2016 r. zademonstrowano centymetrową lokalizację prędkości na autostradzie podczas nocnej burzy śnieżnej. Technologia ta była licencjonowana i komercjalizowana wyłącznie dla bezpieczeństwa pojazdów w systemach pozycjonowania i utrzymywania pasa ruchu ADAS i Autonomous Vehicle firmy GPR Inc. i sprzedawany jako Radar pozycjonowania naziemnego (tm).

Archeologia

Badanie radarowe penetrujące grunt jest jedną z metod stosowanych w geofizyce archeologicznej . Georadar może być używany do wykrywania i mapowania podpowierzchniowych artefaktów archeologicznych , cech i wzorców.

Przekroje georadarowe przedstawiające kryptę na zabytkowym cmentarzu. Te mapy widoku z góry przedstawiają struktury podpowierzchniowe na różnych głębokościach. Sześćdziesiąt wierszy danych – indywidualnie reprezentujących pionowe profile – zostało zebranych i zmontowanych jako trójwymiarowa tablica danych, którą można „pokroić” w poziomie na różne głębokości.)
Sekcja (profil) głębokości georadarowej przedstawiająca pojedynczą linię danych z badania historycznej krypty pokazanej powyżej. Kopułowy dach krypty widać od 1 do 2,5 metra pod powierzchnią.

Pojęcie radaru jest znane większości ludzi. W przypadku radaru penetrującego ziemię sygnał radarowy – impuls elektromagnetyczny – jest kierowany w głąb ziemi. Obiekty podpowierzchniowe i stratygrafia (warstwy) spowodują odbicia, które są odbierane przez odbiornik. Czas podróży odbitego sygnału wskazuje głębokość. Dane mogą być wykreślane jako profile, mapy z widokiem z góry izolujące określone głębokości lub modele trójwymiarowe.

Georadar może być potężnym narzędziem w sprzyjających warunkach (idealne są jednolite gleby piaszczyste). Podobnie jak inne metody geofizyczne stosowane w archeologii (w przeciwieństwie do wykopalisk) może lokalizować artefakty i mapować obiekty bez ryzyka ich uszkodzenia. Wśród metod stosowanych w geofizyce archeologicznej wyróżnia się ona zarówno zdolnością do wykrywania niewielkich obiektów na stosunkowo dużych głębokościach, jak i zdolnością do rozróżniania głębokości źródeł anomalii.

Główną wadą georadaru jest to, że jest on poważnie ograniczony przez mniej niż idealne warunki środowiskowe. Drobnoziarniste osady (iły i muły) są często problematyczne, ponieważ ich wysoka przewodność elektryczna powoduje utratę mocy sygnału; skaliste lub niejednorodne osady rozpraszają sygnał georadarowy, osłabiając użyteczny sygnał, jednocześnie zwiększając szum zewnętrzny.

W dziedzinie dziedzictwa kulturowego georadar z anteną wysokiej częstotliwości jest również wykorzystywany do badania zabytkowych konstrukcji murowanych, wykrywania pęknięć i rozkładów kolumn oraz odrywania się fresków.

Miejsca pochówku

Georadar jest używany przez kryminologów, historyków i archeologów do przeszukiwania miejsc pochówku. W swojej publikacji Interpreting Ground-penetrating Radar for Archaeology Lawrence Conyers, który jest „jednym z pierwszych archeologów specjalizujących się w georadarach”, opisał ten proces. Conyers opublikował badania z wykorzystaniem GPR w Salwadorze w 1996 r., w regionie Four Corners w okresie Chaco w południowej Arizonie w 1997 r. oraz w średniowiecznym miejscu w Irlandii w 2018 r. Na podstawie badań Conyera Instytut Archeologii Prairie i Tubylczej na Uniwersytecie w Alberta we współpracy z National Center for Truth and Reconciliation używa georadarów georadarowych w ankiecie Indian Residential Schools w Kanadzie . Do czerwca 2021 r. Instytut wykorzystał georadar do zlokalizowania podejrzanych nieoznakowanych grobów na obszarach w pobliżu historycznych cmentarzy i indyjskich szkół mieszkalnych. 27 maja 2021 roku zgłoszono, że za pomocą georadaru znaleziono szczątki 215 dzieci w miejscu pochówku w Kamloops Indian Residential School na ziemi Tk'emlúps te Secwépemc First Nation w Kolumbii Brytyjskiej. W czerwcu 2021 r. Technologia georadarowa została wykorzystana przez Cowessess First Nation w Saskatchewan, aby zlokalizować 751 nieoznakowanych grobów na terenie Marieval Indian Residential School , która działała przez sto lat, aż do jej zamknięcia w 1996 roku.

Postęp w technologii georadarowej zintegrowany z różnymi platformami programowymi do modelowania 3D generuje trójwymiarowe rekonstrukcje podpowierzchniowych „kształtów i ich relacji przestrzennych”. Do 2021 r. „pojawia się to jako nowy standard”.

Obrazowanie trójwymiarowe

Poszczególne linie danych georadarowych przedstawiają widok przekrojowy (profilowy) podłoża. Wiele wierszy danych systematycznie zbieranych na danym obszarze można wykorzystać do skonstruowania obrazów trójwymiarowych lub tomograficznych . Dane mogą być prezentowane jako trójwymiarowe bloki lub jako przekroje poziome lub pionowe. Przekroje poziome (znane jako „przekroje głębokości” lub „przekroje czasowe”) to zasadniczo mapy widoku z góry izolujące określone głębokości. Podział czasu stał się standardową praktyką w zastosowaniach archeologicznych , ponieważ wzornictwo poziome jest często najważniejszym wskaźnikiem działań kulturalnych.

Ograniczenia

Najbardziej znaczącym ograniczeniem wydajności georadaru są materiały o wysokiej przewodności, takie jak gleby gliniaste i gleby zanieczyszczone solą. Wydajność jest również ograniczona przez rozpraszanie sygnału w niejednorodnych warunkach (np. kamienista gleba).

Inne wady obecnie dostępnych systemów georadarowych to:

  • Interpretacja radarogramów jest generalnie nieintuicyjna dla nowicjusza.
  • Aby skutecznie zaprojektować, przeprowadzić i zinterpretować badania georadarowe, niezbędna jest znaczna wiedza fachowa.
  • Stosunkowo wysokie zużycie energii może być problematyczne w przypadku szeroko zakrojonych badań terenowych.

Radar jest wrażliwy na zmiany składu materiału, wykrycie zmian wymaga ruchu. Podczas przeglądania obiektów stacjonarnych za pomocą radaru penetrującego powierzchnię lub grunt, sprzęt musi zostać przesunięty, aby radar zbadał określony obszar, szukając różnic w składzie materiału. Chociaż może identyfikować przedmioty, takie jak rury, puste przestrzenie i gleba, nie może identyfikować określonych materiałów, takich jak złoto i drogocenne klejnoty. Może to jednak być przydatne w zapewnianiu mapowania podpowierzchniowego potencjalnych kieszeni zawierających klejnoty lub „vugów”. Odczyty mogą być mylone przez wilgoć w ziemi i nie mogą oddzielić kieszeni zawierających klejnoty od tych, które nie zawierają klejnotów.

Podczas określania możliwości głębokości, zakres częstotliwości anteny określa rozmiar anteny i możliwości głębokości. Odstępy siatki, które są skanowane, są oparte na wielkości celów, które należy zidentyfikować, oraz wymaganych wynikach. Typowe odstępy między siatkami mogą wynosić 1 metr, 3 stopy, 5 stóp, 10 stóp, 20 stóp w przypadku pomiarów gruntu, a w przypadku ścian i podłóg od 1 cala do 1 stopy.

Szybkość, z jaką przemieszcza się sygnał radarowy, zależy od składu penetrowanego materiału. Głębokość do celu jest określana na podstawie czasu potrzebnego do odbicia sygnału radarowego z powrotem do anteny urządzenia. Sygnały radarowe przemieszczają się z różnymi prędkościami przez różne rodzaje materiałów. Możliwe jest wykorzystanie głębokości do znanego obiektu w celu określenia określonej prędkości, a następnie skalibrowanie obliczeń głębokości.

Regulacja mocy

W 2005 roku Europejski Instytut Norm Telekomunikacyjnych wprowadził przepisy regulujące sprzęt georadarowy, a operatorów georadarowych kontrolowanie nadmiernej emisji promieniowania elektromagnetycznego. Europejskie stowarzyszenie GPR (EuroGPR) zostało utworzone jako stowarzyszenie branżowe w celu reprezentowania i ochrony legalnego wykorzystania GPR w Europie.

Podobne technologie

Radar penetrujący ziemię wykorzystuje różne technologie do generowania sygnału radarowego: są to impuls, częstotliwość stopniowana, fala ciągła z modulacją częstotliwości ( FMCW ) i szum. Systemy dostępne na rynku w 2009 roku również wykorzystują cyfrowe przetwarzanie sygnału (DSP) do przetwarzania danych podczas prac geodezyjnych, a nie offline.

Specjalny rodzaj georadaru wykorzystuje niemodulowane sygnały fali ciągłej. Ten holograficzny radar podpowierzchniowy różni się od innych typów georadarów tym, że rejestruje podpowierzchniowe hologramy w widoku z góry. Głębokość penetracji tego rodzaju radaru jest raczej niewielka (20–30 cm), ale rozdzielczość poprzeczna jest wystarczająca do rozróżnienia różnych rodzajów min przeciwpiechotnych w glebie, ubytków, ubytków, urządzeń podsłuchowych lub innych obiektów ukrytych w ścianach, podłogach i elementy konstrukcyjne.

Georadar jest używany w pojazdach do badania dróg z bliska z dużą prędkością i wykrywania min lądowych, a także w trybie z dystansu. [ potrzebna definicja ]

Radar penetrujący rury (IPPR) i georadar ściekowy (ISGPR) to zastosowania technologii georadarowych stosowanych w rurach niemetalowych, w których sygnały są kierowane przez ściany rur i kanałów w celu wykrycia grubości ścianek rur i pustych przestrzeni za ściankami rur.

Radar penetrujący ściany może odczytywać struktury niemetalowe, co po raz pierwszy zademonstrowało ASIO i australijska policja w 1984 r. podczas badania byłej ambasady rosyjskiej w Canberze . Policja pokazała, jak obserwować ludzi w odległości do dwóch pokoi dalej i przez podłogi w pionie, mogła zobaczyć metalowe bryły, które mogą być bronią; GPR może nawet działać jako czujnik ruchu dla strażników wojskowych i policji.

SewerVUE Technology, firma zajmująca się zaawansowaną oceną stanu rur, wykorzystuje radar penetracji rur (PPR) jako aplikację GPR w rurze, aby zobaczyć pozostałą grubość ścianki, pokrycie prętów zbrojeniowych, rozwarstwienie i wykryć obecność pustych przestrzeni rozwijających się na zewnątrz rury.

EU Detect Force Technology, firma zajmująca się zaawansowanymi badaniami gleby, wykorzystuje radar X6 Plus Grounding Radar (XGR) jako hybrydową aplikację georadarową do wykrywania min wojskowych, a także policyjnych bomb.

„Projekt Mineseeker” ma na celu zaprojektowanie systemu do określania, czy miny lądowe są obecne na obszarach za pomocą ultraszerokopasmowych radarów z syntetyczną aperturą montowanych na sterowcach .

  • Jaufer, Rakeeb M., Amine Ihamouten, Yann Goyat, Shreedhar S. Todkar, David Guilbert, Ali Assaf i Xavier Dérobert. 2022. „Wstępne badanie numeryczne w celu porównania metody fizycznej i metod uczenia maszynowego zastosowanych do danych georadarowych do charakteryzacji sieci podziemnych” Remote Sensing 14, no. 4: 1047. https://doi.org/10.3390/rs14041047

Dalsza lektura

Przegląd zastosowań naukowych i inżynierskich można znaleźć w:

  • Jol, HM, wyd. (2008). Teoria i zastosowania radaru penetrującego ziemię . Elsevier.
  • Persico, Raffaele (2014). Wprowadzenie do radaru penetrującego ziemię: rozpraszanie odwrotne i przetwarzanie danych . John Wiley & Synowie.

Ogólny przegląd metod geofizycznych w archeologii można znaleźć w następujących pracach:

  • Clark, Anthony J. (1996). Widząc pod ziemią. Metody poszukiwawcze w archeologii . Londyn, Wielka Brytania: BT Batsford Ltd.
  •    Conyers, Lawrence B; Goodman, dziekan (1997). Radar penetrujący ziemię: wprowadzenie dla archeologów . Walnut Creek, Kalifornia: AltaMira Press. ISBN 978-0-7619-8927-1 . OCLC 36817059 .
  • Gaffney, Chris; Johna Gatera (2003). Ujawnianie pogrzebanej przeszłości: geofizyka dla archeologów . Stroud, Wielka Brytania: Tempus.

Linki zewnętrzne

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ground-penetrating_radar&oldid=1141199596 ”