Logo Zakładu Geofizyki AGH Logo firmy Mala GeoScience Logo firmy Sensors & Software Logo firmy GSSI

home.agh.edu.pl/karcz - strona Jerzego Karczewskiego

Zasada działania georadaru...

Metoda georadarowa należy do grupy geofizycznych metod radiofalowych. Aparatura pomiarowa składa się z jednostki centralnej i dwu anten: nadawczej i odbiorczej. Najpowszechniej obecnie używanym georadarem jest radar impulsowy. Radar taki emituje impuls elektromagnetyczny o stosunkowo wysokiej mocy szczytowej i bardzo krótkim czasie trwania. Im energia takiego impulsu będzie większa, tym większy będzie zasięg głębokościowy.

Zasada działania metody georadarowej

Zasada działania metody georadarowej

Czas trwania impulsu sondującego waha się od 0,5 nsec do kilku dziesiątek nsec (dla anten niskoczęstotliwościowych). Impuls taki jest powtarzany ze stosunkowo niską czestotliwością tzw. częstotliwością repetycji impulsu. Fala rozchodząc się w ośrodku geologicznym, ulega odbiciu, załamaniu i tłumieniu. Fala odbita rejestrowana jest przez antenę odbiorczą. Zarejestrowany obraz falowy (echogram) jest odzwierciedleniem wewnętrznej budowy ośrodka.

Z uwagi na duże tłumienie fali elektromagnetycznej, jak również niewielką moc anteny nadawczej, zasięg głębokościowy georadaru nie przekracza na ogół kilkudziesięciu metrów. Największe zasięgi georadar osiąga na lodowcach i solach (nawet kilkaset metrów). Z drugiej strony w utworach ilastych, glebach gliniastych zasięg może być znikomy.

Głębokość penetracji georadaru zależy m.in. od częstotliwości sygnału emitowanego w głąb ośrodka. Im ta częstotliwość jest wyższa, tym zasięg mniejszy, polepsza się za to rozdzielczość pomiaru.

Obecnie do georadarów stosuje się anteny o częstotliwościach od 10MHz do 2GHz (angielska firma Utsi Electronics Ltd wyprodukowała georadar Groundvue 5C z anteną o częstotliwości 6GHz),o różnej konstrukcji: ekranowane (shielded) i nieekranowane (unshielded). Anteną o częstotliwości 400MHz rejestrujemy informację użyteczną z głębokości do około 8m (w zależności od warunków pomiarowych), zaś anteną 1GHz do głębokości około 1m, za to z doskonałą centymetrową rozdzielczością.

Warunkiem zarejestrowania informacji użytecznej jest kontrast względnej stałej dielektrycznej pomiędzy ośrodkiem a poszukiwanym obiektem. Im większy jest ten kontrast, tym większa amplituda fali odbitej. Przykładowo, względna stała dielektryczna dla powietrza wynosi 1, zaś dla ośrodka geologicznego waha się od kilku do kilkudziesięciu. Tak więc podziemna krypta wypełniona powietrzem powinna być dobrze widoczna w obrazie georadarowym.

Profilowanie anteną 50MHz

Profilowanie anteną 50MHz

Podstawowym sposobem wykonywania pomiarów georadarowych jest profilowanie. Podczas takiego pomiaru obie anteny są przesuwane wzdłuż wytyczonego profilu. Czasem takie pomiary, przez analogię do metody sejsmicznej, są nazywane pomiarami ze stałym ofsetem. W ten sposób jest rejestrowana ciągła informacja w każdym punkcie profilu. Dzięki nim otrzymuje się ciągłą informację o budowie warstw przypowierzchniowych wzdłuż wytyczonego profilu.

Profilowanie georadarowe można wykonywać w wariancie 3D. Polega on na wykonaniu szeregu profili w siatce równoległej. Najczęściej celem takich pomiarów jest poszukiwanie obiektów o niewielkich rozmiarach na obszarze o regularnym kształcie. Można też poszukiwać obiektów o liniowym charakterze (rury, kable, zbrojenie, resztki fundamentów, mury). Przetwarzanie zarejestrowanych w ten sposób danych polega na zastosowaniu specjalnych programów do wizualizacji trójwymiarowej. Wyniki przedstawia się często w postaci przekrojów czasowych (ang. time slice) na głębokości odpowiadającej głębokości anomalii.

Profilowanie wielokanałowe, georadar SPIDAR

fot.: Sensors & Software

Profilowanie wielokanałowe, georadar SPIDAR

Innym wariantem profilowań georadarowych jest zastosowanie sprzętu wielokanałowego. W zależności od konfiguracji mogą to być anteny o jednakowej częstotliwości, bądź też o różnych częstotliwościach. Taki sposób pomiaru wymaga specjalnego typu aparatury. Obecnie wszystkie wiodące firmy produkujące sprzęt georadarowy mają w swojej ofercie aparaturę wielokanałową. Zaletą profilowań wielokanałowych jest znaczna poprawa wydajności pomiaru i zmniejszenie kosztów badań, wadą zaś znacznie wyższy koszt aparatury georadarowej.

Profilowanie prędkości WARR (CMP)

Profilowanie prędkości WARR (CMP)

Echogram WARR

Echogram WARR

Niezbędnym warunkiem uzyskania prawidłowej skali głębokościowej na zarejestrowanych echogramach jest dokładna znajomość wartości prędkości fali elektromagnetycznej w miejscu pomiaru. Wartość tej prędkości uzyskuje się zazwyczaj w trakcie profilowań prędkości (metodyką WARR lub CMP). Czasem przyjmuje się przybliżoną wartość prędkości fali elektromagnetycznej w oparciu o dane literaturowe i doświadczenie operatorów. Niektóre programy do przetwarzania danych mają funkcję przybliżania hiperboli syntetycznej do kształtu anomalii na echogramie.

Innym wariantem pomiaru, możliwym do wykorzystania w obiektach zabytkowych, jest prześwietlanie, np. ścian, stropów, itp. W takim wariancie anteny nadawcza i odbiorcza znajdują się po obu stronach badanego obiektu. Mierzony jest głównie czas przyjscia fali, stosuje się specjalne programy do tomografii.

Metoda georadarowa ma szereg zalet. Pomiary georadarowe nie powodują żadnego zniszczenia terenu. Dzięki temu można wykonywać pomiary georadarowe w rezerwatach przyrody, wewnątrz budynków, badać drogi, pasy startowe lotnisk, itp. Metoda ta pozwala na natychmiastową, wstępną ocenę wyników, już w trakcie pomiarów terenowych. Pomiar jest szybki i wydajny (w porównaniu z innymi metodami geofizycznymi). Przy pomocy georadarów przeznaczonych do badania dróg i autostrad, można wykonywać pomiary z prędkością kilkudziesięciu kilometrów na godzinę. Nowoczesne modele aparatury georadarowej są lekkie, ergonomiczne, o niewielkich gabarytach.