Pomiary za pomocą radaru penetrującego grunt (GPR), takie jak te przedstawione na rysunku 1, polegają na wykrywaniu energii odbitej lub rozproszonej. W żargonie technicznym odbicia powstają w wyniku zmian impedancji elektromagnetycznej związanych ze zmianami właściwości materiałów. Niestety, wielu użytkowników GPR nie jest zaznajomionych z bardziej specjalistycznymi aspektami pól radiowych i właściwości materiałów.

Rysunek 1: Klasyczny zestaw danych przedstawiający odbicia od obiektów znajdujących się w obszarze badań.

Czym są właściwości materiałów?

„Właściwości materiałowe” charakteryzują fizyczne atrybuty materiału. Obejmują one gęstość, elastyczność, porowatość, przewodność cieplną, kolor, strukturę i teksturę, a także szereg innych cech. Właściwości fizyczne istotne dla fal radiowych to przenikalność dielektryczna, przewodność elektryczna i przenikalność magnetyczna.

GPR reaguje na zmiany właściwości elektrycznych i magnetycznych. Ludzie mają naturalną skłonność do charakteryzowania obiektu na podstawie jego właściwości wizualnych lub mechanicznych (tj. bezpośrednio wyczuwalnych wzrokiem, dotykiem itp.). Często istnieje korelacja między właściwościami elektrycznymi a innymi właściwościami fizycznymi; stąd też reakcje GPR często są zgodne z ludzkimi wyobrażeniami.

Dlaczego właściwości elektryczne są ważne?

Właściwości elektryczne decydują o tym, jak fale elektromagnetyczne przemieszczają się przez materiał; przenikalność dielektryczna wpływa przede wszystkim na prędkość fali, a przewodność określa tłumienie sygnału.

Odbicia radarowe występują, gdy fale radiowe napotykają zmianę prędkości lub tłumienia. Im większa zmiana właściwości, tym więcej sygnału jest odbijane.

Wiele pojęć związanych z GPR wywodzi się z optyki. Na przykład prawo Snella opisuje załamanie zarówno promieni świetlnych, jak i fal radiowych na granicy między materiałami, co przedstawiono na rysunku 2. Załamanie (lub refrakcja) zależy od zmiany prędkości fali między materiałami.

Podobnie jak w optyce, fale radiowe są częściowo przepuszczane, a częściowo odbijane na granicach, a współczynnik odbicia Fresnela opisuje zarówno światło, jak i fale radarowe.

Rysunek 2: Fale radarowe są częściowo przepuszczane i częściowo odbijane na granicach. Promienie zmieniają również kierunek po przekroczeniu granicy.

Czym są współczynniki Fresnela?

Współczynniki odbicia Fresnela określają ilościowo amplitudę sygnałów odbitych i przepuszczonych na granicach. Stosunek amplitudy sygnału odbitego do padającego stanowi współczynnik odbicia; stosunek amplitudy sygnału przepuszczonego do padającego stanowi współczynnik przepuszczalności.

Współczynniki odbicia zależą od kąta padania, polaryzacji pola padającego oraz kontrastu prędkości. Rysunek 3 ilustruje zależność współczynnika odbicia od kąta padania i polaryzacji dla fali GPR padającej na poziom wody gruntowej, gdzie może wystąpić kontrast prędkości wynoszący 1,6:1.

Rysunek 3: Amplituda sygnałów odbitych zależy od kontrastu prędkości, kierunku padania oraz polaryzacji. Przedstawiono odbicia dla obu polaryzacji na poziomie zwierciadła wody.

W większości przypadków sytuacja nie jest tak prosta; istotne znaczenie mają również rozmiar i kształt elementu odbijającego. Purystowie twierdzą, że odbicia są abstrakcjami, a wszystkie odpowiedzi są odpowiedziami rozpraszającymi. Współczynniki odbicia Fresnela zakładają w sposób dorozumiany płaską i bardzo rozległą powierzchnię graniczną. W rzeczywistości rzadko ma to miejsce.

Jak traktuje się nieregularne kształty?

Niektóre typowe źródła odpowiedzi radarowych przedstawiono na rysunku 4. Nierówne granice, lokalne elementy, długie, cienkie rury i kable są znacznie częstsze niż płaska granica.

Rysunek 4: Typowe cele GPR mogą mieć różnorodną geometrię i skalę przestrzenną.

Geometria nabiera znaczenia, gdy wymiary geometrii granicy zbliżają się do rozmiaru wymiaru przestrzennego sygnału radarowego (tj. długości fali). W takiej sytuacji obiekty należy postrzegać jako zbiorowiska punktów rozpraszających, z których każdy przechwytuje i ponownie wypromieniowuje część sygnału padającego. Te poszczególne elementy rozpraszające oddziałują na siebie, wzmacniając lub osłabiając ponownie wypromieniowaną energię. Elementy rozpraszające charakteryzują się przekrojem radarowym oraz wzmocnieniem rozpraszania wstecznego.

Czym są przekrój radarowy GPR i wzmocnienie rozpraszania wstecznego?

Przekrój to miara efektywnej powierzchni, jaką rozpraszacz rzutuje na ścieżkę padającego sygnału radarowego. Energia czoła fali radarowej padającej na jednostkę powierzchni pomnożona przez pole przekroju określa energię, jaką rozpraszacz pobiera z fali padającej.

Rysunek 5: Ilustracja pola przekroju rozpraszającego i wzmocnienia rozpraszania wstecznego. Na rysunku (a) przedstawiono obiekt o dużej powierzchni, z którego większość energii jest kierowana z powrotem. Na rysunku (b) obiekt ma mały przekrój, a rozproszony sygnał nie jest kierowany z powrotem do odbiornika.

Sygnał zawierający wyodrębnioną energię może zostać pochłonięty lub ponownie wypromieniowany w dowolnym kierunku. Wzmocnienie rozpraszania wstecznego mierzy ilość energii ponownie wypromieniowanej w kierunku sygnału padającego, jak pokazano na rysunku 5.

Wzmocnienie rozpraszania wstecznego i pole przekroju oblicza się na podstawie modelowania numerycznego lub mierzy w laboratoriach dla standardowych kształtów geometrycznych. Niektóre proste geometrie pozwalają na uzyskanie stosunkowo zwięzłych analitycznych wzorów na wzmocnienie rozpraszania wstecznego.

Powierzchnia przekroju poprzecznego jest funkcją rzeczywistego przekroju geometrycznego obiektu, a także kontrastu właściwości elektrycznych. Wzmocnienie rozpraszania wstecznego zależy przede wszystkim od cech geometrycznych obiektu.

Co to wszystko oznacza?

Krótko mówiąc, odpowiedzi radarowe są funkcją zarówno kontrastu właściwości fizycznych, jak i geometrii. Odpowiedź kuli, przedstawiona na rysunku 6, ilustruje tę koncepcję.

Rysunek 6: Rozpraszanie od ciała sferycznego jako funkcja wymiarów kuli. W przypadku małej kuli dominuje jej rozmiar. W przypadku dużej kuli odpowiedź zbliża się do odpowiedzi celu płaskiego.

W przypadku małych obiektów ilość rozpraszanej energii rośnie proporcjonalnie do czwartej potęgi wymiaru obiektu. Gdy obiekt staje się duży, odpowiedź osiąga plateau i zbliża się do odpowiedzi płaskiej granicy (tj. współczynnika odbicia Fresnela). Pomiędzy tymi skrajnościami odpowiedź będzie oscylować z powodu interferencji konstruktywnej i destruktywnej wewnątrz obiektu.

„Jak głęboko można zobaczyć?” – to najczęściej zadawane pytanie kierowane do dostawców radarów penetrujących grunt (GPR). Chociaż zasady fizyczne tego zjawiska są dobrze znane, większość osób, które dopiero zaczynają przygodę z GPR, nie zdaje sobie sprawy z istnienia fundamentalnych ograniczeń fizycznych.

Wiele osób uważa, że głębokość penetracji GPR jest ograniczona przez sprzęt. Jest to prawda do pewnego stopnia, ale głębokość badania zależy przede wszystkim od samego materiału, a żadne ulepszenia sprzętowe nie pozwolą pokonać fundamentalnych ograniczeń fizycznych.

Co decyduje o głębokości penetracji?

Fale radiowe nie przenikają głęboko przez gleby, skały i większość materiałów sztucznych, takich jak beton. Świadczy o tym utrata sygnału radiowego lub połączenia komórkowego podczas przejazdu samochodem przez tunel lub do podziemnego parkingu.

To, że georadar w ogóle działa, zależy od zastosowania bardzo czułych systemów pomiarowych oraz od specjalnych warunków. Fale radiowe słabną wykładniczo i wkrótce stają się niewykrywalne w materiałach pochłaniających energię, jak pokazano na rysunku 1.

Rysunek 1: Sygnały GPR zanikają wykładniczo w glebie i skale.

Współczynnik wykładniczego tłumienia, a, zależy przede wszystkim od zdolności materiału do przewodzenia prądu elektrycznego. W przypadku prostych, jednorodnych materiałów jest to zazwyczaj czynnik dominujący; dlatego pomiar przewodności elektrycznej (lub oporności) pozwala określić stopień tłumienia.

W większości materiałów energia jest również tracona w wyniku rozpraszania spowodowanego zróżnicowaniem materiału oraz obecnością wody. Woda ma dwa skutki: po pierwsze, zawiera jony, które przyczyniają się do przewodności objętościowej. Po drugie, cząsteczka wody pochłania energię elektromagnetyczną o wysokich częstotliwościach, zazwyczaj powyżej 1000 MHz (dokładnie ten sam mechanizm, który wyjaśnia, dlaczego działają kuchenki mikrofalowe).

Tłumienie rośnie wraz z częstotliwością, jak pokazano na rysunku 2. W środowiskach nadających się do sondowania za pomocą GPR na krzywej tłumienia w funkcji częstotliwości zwykle występuje plateau, które określa „okno GPR”.

Rysunek 2: Tłumienie zmienia się w zależności od częstotliwości wzbudzenia i materiału. Ta seria wykresów przedstawia ogólne tendencje. Przy niskich częstotliwościach (poniżej 1000 MHz) woda silnie pochłania energię.

Czy można obniżyć częstotliwość, aby poprawić głębokość penetracji?

Obniżenie częstotliwości zwiększa głębokość badania, ponieważ tłumienie rośnie przede wszystkim wraz z częstotliwością. Jednak wraz ze spadkiem częstotliwości w grę wchodzą dwa inne fundamentalne aspekty pomiaru GPR.

Po pierwsze, zmniejszenie częstotliwości powoduje utratę rozdzielczości. Po drugie, jeśli częstotliwość jest zbyt niska, pola elektromagnetyczne nie rozchodzą się już w postaci fal, lecz ulegają dyfuzji, co należy do dziedziny pomiarów indukcyjnych lub pomiarów prądów wirowych.

Dlaczego nie mogę po prostu zwiększyć mocy nadajnika?

Głębokość badania można zwiększyć poprzez zwiększenie mocy nadajnika. Niestety, aby zwiększyć głębokość badania, moc musi rosnąć wykładniczo.

Rysunek 3: Gdy tłumienie ogranicza głębokość badania, moc musi rosnąć wykładniczo wraz z głębokością.

Rysunek 3 przedstawia względną moc niezbędną do zbadania danej głębokości przy tłumieniach pokazanych na rysunku 1. Łatwo zauważyć, że zwiększenie głębokości badania wymaga zastosowania źródeł o dużej mocy.

Oprócz ograniczeń praktycznych, rządy regulują poziom emisji radiowych, które mogą być generowane. Jeśli sygnały nadajnika GPR staną się zbyt silne, mogą zakłócać działanie innych przyrządów, telewizorów, radioodbiorników i telefonów komórkowych. (Niestety, te same wszechobecne urządzenia są zazwyczaj źródłem szumów ograniczających działanie odbiorników GPR!)

Czy można przewidzieć głębokość badania?

Tak, pod warunkiem, że znane są właściwości elektryczne badanego materiału; dostępnych jest wiele programów do obliczeń numerycznych. Najprostszym sposobem uzyskania szacunków głębokości badania jest analiza oparta na równaniu zasięgu radaru (RRE). Dostępne jest oprogramowanie do przeprowadzania tych obliczeń, a na ten temat istnieje wiele publikacji. Podstawowe pojęcia przedstawiono na rysunku 4.

Rysunek 4: Zasięg radaru, przedstawiony tutaj w formie schematu blokowego, określa rozkład energii i stanowi podstawę do oszacowania głębokości badania.

Analiza RRE jest bardzo przydatna w badaniach parametrycznych i analizach wrażliwości.

Zasięg radarowy jest zbyt skomplikowany!

Wielu użytkowników twierdzi, że analiza RRE jest zbyt skomplikowana do rutynowego stosowania. Jeśli nie chcesz zagłębiać się w szczegółowe obliczenia, proponujemy skorzystać z poniższej, prostszej praktycznej zasady szacowania głębokości eksploracji

D = 35 / metry

gdzie jest przewodnością w mS/m. Chociaż nie jest to tak wiarygodne jak RRE, ta pomocna zasada jest całkiem przydatna w wielu warunkach geologicznych.

Jeszcze prostszym podejściem jest skorzystanie z tabeli lub wykresu głębokości eksploracji osiąganej w typowych materiałach. Przykładowy wykres dla typowych materiałów napotykanych podczas badań GPR przedstawiono na rysunku 5.

Rysunek 5: Wykres głębokości eksploracji w typowych materiałach. Dane te opierają się na obserwacjach z „najkorzystniejszych przypadków”. Jak pokazuje rysunek 9, sam materiał nie jest prawdziwą miarą głębokości eksploracji.

Rysunki 6, 7 i 8 przedstawiają przykłady obejmujące zarówno głębokie, jak i płytkie badania. Widać, że rodzaj materiału ma wpływ na głębokość badania. Niestety, nie zawsze można przewidzieć głębokość badania, znając jedynie rodzaj materiału w badanym obszarze.

Rysunek 6: Dane z litego granitu – odbicia odpowiadają pęknięciom. Rysunek 7: Dane przedstawiające uwarstwienie w osadach mokrego piasku. Rysunek 8: Dane pokazujące reakcję beczek w mokrej, mulistej glinie.

Rysunek 9 przedstawia przekrój, w którym geologia jest zasadniczo jednolita, ale głębokość badania jest bardzo zmienna. Przewodność wody porowej ulega zmianom, podczas gdy materiał geologiczny pozostaje niezmienny! W tym przypadku znajomość przewodności stanowi lepszy wskaźnik głębokości badania niż znajomość rodzaju materiału.

Rysunek 9: Przekrój GPR z otoczenia piaskowego. Głębokość eksploracji jest określana na podstawie przewodności wody porowej, a nie rodzaju piasku. Zanieczyszczenia wymywane ze składowiska odpadów powodują zmienną przewodność (i głębokość eksploracji) w zależności od położenia.

Radar penetrujący grunt (GPR) to ogólne określenie technik wykorzystujących fale radiowe, zazwyczaj w zakresie częstotliwości od 1 do 1000 MHz, do mapowania struktur i obiektów zakopanych w gruncie (lub w konstrukcjach stworzonych przez człowieka). Historycznie rzecz biorąc, GPR skupiał się przede wszystkim na mapowaniu struktur w gruncie; ostatnio GPR jest wykorzystywany w badaniach nieniszczących konstrukcji niemetalowych.

Koncepcja wykorzystania fal radiowych do badania wewnętrznej struktury gruntu nie jest nowa. Bez wątpienia najbardziej udanym wczesnym osiągnięciem w tej dziedzinie było zastosowanie echosond radiowych do mapowania grubości pokrywy lodowej w Arktyce i Antarktyce oraz pomiaru grubości lodowców. Prace z wykorzystaniem GPR w środowiskach niepokrytych lodem rozpoczęły się na początku lat 70. XX wieku. Wczesne badania koncentrowały się na zastosowaniach związanych z glebami wiecznie zamarzniętymi.

Zastosowania GPR są ograniczone jedynie wyobraźnią i dostępnością odpowiedniego sprzętu. Obecnie GPR znajduje zastosowanie w wielu różnych dziedzinach, m.in. w lokalizowaniu zakopanych sieci użytkowych, ocenie terenów kopalnianych, dochodzeniach kryminalistycznych, wykopaliskach archeologicznych, poszukiwaniu zakopanych min lądowych i niewybuchów, a także w pomiarze grubości i jakości śniegu oraz lodu na potrzeby zarządzania stokami narciarskimi i prognozowania lawin – by wymienić tylko kilka przykładów.

Jak to działa?

1. Wysyła słabe sygnały o częstotliwości radiowej
2. Wykrywa odbite echa i wykorzystuje je do tworzenia obrazu
3. Wyświetla opóźnienie czasowe i siłę sygnału

GPR działa podobnie jak echosonda wędkarska

1. Urządzenie wysyła sygnał
2. Sygnał odbija się od ryb
3. Sygnał odbija się od dna

1. W miarę poruszania się łodzi rejestruje dane
2. Zapisy są wyświetlane obok siebie
3. Wynik wygląda jak przekrój poprzeczny

Głębokości badań georadarowych

Głębokość eksploracji zależy od konkretnego miejsca

• gleby pochłaniają fale radiowe
• piaski i żwir sprzyjają zastosowaniu GPR
• gleby drobnoziarniste, takie jak muł i glina, pochłaniają sygnały
• woda słona jest całkowicie nieprzepuszczalna

Co jest takiego trudnego w GPR?

1. Podłoże jest bardziej skomplikowane
2. Konstrukcje stworzone przez człowieka są złożone
3. Niektóre obiekty po prostu nie odbijają sygnałów
4. Niektóre rodzaje gruntu pochłaniają wszystkie sygnały

Dlaczego rura nie wygląda jak rura?

• Zapis z georadaru stanowi pseudoobraz podłoża
• lokalne elementy stają się hiperbolami (odwróconymi literami V)
• GPR wysyła sygnały do gruntu we wszystkich kierunkach
• Echa są odbierane ze wszystkich kierunków
• najbliższe zbliżenie (nad celem) następuje w wierzchołku litery V
• kształt odwróconej litery V pomaga określić dokładną głębokość

Pola elektromagnetyczne o częstotliwościach radiowych mogą stanowić zagrożenie dla zdrowia, gdy ich natężenie jest wysokie. W ciągu ostatnich 30 lat przeprowadzono szeroko zakrojone badania nad polami o normalnym natężeniu, jednak nie uzyskano jednoznacznych wyników badań epidemiologicznych wskazujących na związek między polami elektromagnetycznymi a problemami zdrowotnymi. Szczegółowe omówienie tego tematu można znaleźć w bibliografii oraz na stronach internetowych wymienionych poniżej.

Amerykańska Federalna Komisja Łączności (FCC) oraz Agencja Bezpieczeństwa i Higieny Pracy (OSHA) określają dopuszczalne poziomy pól elektromagnetycznych. Podobne poziomy mocy są nakazywane przez odpowiednie agencje w innych krajach. Maksymalne dopuszczalne poziomy ekspozycji i czas trwania określone przez FCC i OSHA różnią się w zależności od częstotliwości wzbudzenia. Najniższy podany próg mocy równoważnej fali płaskiej wynosi 0,2 mW/cm² dla ogółu ludności w paśmie częstotliwości od 30 do 300 MHz. Wszystkie inne zastosowania i częstotliwości mają wyższe wartości dopuszczalne, co przedstawiono graficznie na rysunku 1.

Rysunek 1: Limity FCC dotyczące maksymalnego dopuszczalnego narażenia (MPE) – gęstość mocy równoważnej fali płaskiej w mW/cm².

Wszystkie produkty firmy Sensors & Software Inc. z serii pulseEKKO, Noggin® i Conquest™ są zazwyczaj używane w odległości co najmniej 1 m od użytkownika i w związku z tym są klasyfikowane przez FCC jako urządzenia „przenośne”. Typowe poziomy gęstości mocy w odległości 1 m lub większej od dowolnego produktu firmy Sensors & Software Inc. wynoszą mniej niż 10⁻³ mW/cm², co stanowi wartości od 200 do 10 000 razy niższe od wymaganych limitów. W związku z tym produkty firmy Sensors & Software Inc. nie stanowią żadnego zagrożenia dla zdrowia i bezpieczeństwa, gdy są użytkowane zgodnie z przeznaczeniem.

Bibliografia

1. Pytania i odpowiedzi dotyczące skutków biologicznych oraz potencjalnych zagrożeń związanych z polem elektromagnetycznym o częstotliwości radiowej.

Federalna Komisja Łączności USA, Biuro Inżynierii i Technologii

Biuletyn OET nr 56 (zawiera liczne odniesienia i adresy stron internetowych)

2. Ocena zgodności z wytycznymi FCC dotyczącymi narażenia ludzi na pola elektromagnetyczne o częstotliwościach radiowych.

Federalna Komisja Łączności USA, Biuro Inżynierii i Technologii

Biuletyn OET nr 56 (zawiera liczne odniesienia i adresy stron internetowych)

3. Przepisy Amerykańskiej Agencji ds. Bezpieczeństwa i Higieny Pracy (OSHA), paragrafy 1910.67 i 1910.263.

Strony internetowe

https://transition.fcc.gov/oet/rfsafety/
https://www.osha.gov/SLTC/radiofrequencyradiation/

Wybór częstotliwości zależy od dwóch wymagań badawczych – głębokości eksploracji oraz długości rozdzielczości, jak pokazano na rysunku 1. Długość rozdzielczości określa zdolność do jednoznacznej identyfikacji obiektów położonych blisko siebie. Więcej szczegółów na temat długości rozdzielczości można znaleźć w biuletynie EKKO_Update ze stycznia 2003 r.

Rysunek 1: Wybór częstotliwości zależy od głębokości eksploracji oraz długości rozdzielczości, D Z.

Głębokość eksploracji zależy od wielu czynników specyficznych dla danego terenu, z których najważniejszym jest współczynnik tłumienia sygnału w materiale macierzystym. Współczynnik tłumienia zależy od częstotliwości GPR, jak pokazano na rysunku 2.

Rysunek 2: Tłumienie determinuje głębokość eksploracji. W idealnym materiale tłumienie ustabilizuje się powyżej częstotliwości przejściowej. W rzeczywistych warunkach rozpraszanie wodne lub objętościowe powoduje wzrost tłumienia wraz z częstotliwością. Moment pojawienia się strat przy wysokich częstotliwościach jest ściśle związany z konkretnym miejscem.

W idealnym materiale tłumienie ustabilizuje się przy wysokich częstotliwościach. W rzeczywistych materiałach niejednorodność oraz absorpcja relaksacyjna wody zwiększają tłumienie przy wysokich częstotliwościach. Straty związane z rozpraszaniem, jak pokazano na rysunku 3, występują zawsze. Dobrą analogią jest latarnia uliczna we mgle. Krople wody rozpraszają światło, co powoduje znaczne ograniczenie widoczności (tj. zmniejsza się penetracja światła).

Rysunek 3: Sygnały GPR ulegają rozpraszaniu przez niewielkie niejednorodności właściwości materiału, co osłabia sygnał transmitowany.

Długość rozdzielczości zmienia się proporcjonalnie do częstotliwości GPR, ponieważ szerokość pasma systemu jest równa częstotliwości środkowej w przypadku impulsowych lub pasmowych systemów GPR, jak pokazano na rysunku 4.

Rysunek 4: Rozdzielczość przestrzenna a długość fali. Prędkość materiału wpływa na rozdzielczość przestrzenną.

Rysunki 2 i 4 ilustrują ten dylemat: wraz ze wzrostem częstotliwości GPR wzrasta rozdzielczość, ale zmniejsza się głębokość eksploracji. Rozwiązanie kompromisowe jest logiczne, ale nie zawsze jednoznaczne.

Wykres zależności głębokości eksploracji od częstotliwości, przedstawiony na rysunku 5, stanowi podstawę niniejszej dyskusji. Dla uproszczenia głębokość eksploracji przyjęto jako trzy długości tłumienia w materiale. Długość tłumienia jest odwrotnością współczynnika tłumienia i często określa się ją mianem głębokości skórowania.

Rysunek 5: Głębokość eksploracji (przyjęta jako trzy długości tłumienia) zmienia się wraz z częstotliwością. Spadek głębokości eksploracji przy wysokich częstotliwościach ogranicza górną praktyczną częstotliwość GPR.

Jak pokazano na rysunku 6, szerokość pasma GPR musi mieścić się pomiędzy zacienionymi obszarami, gdzie GPR nie jest odpowiednią metodą (dyspersja jest po prostu zbyt duża). Aby uzyskać maksymalną rozdzielczość, częstotliwość fc dobiera się tak, aby górna granica szerokości pasma GPR stykała się z krzywą głębokości eksploracji. W niektórych sytuacjach można wybierać spośród różnych wartości rozdzielczości i częstotliwości środkowych (rysunek 7), podczas gdy w innych sytuacjach wybór jest ograniczony (rysunek 8).

Rysunek 6: W skali logarytmicznej szerokość pasma GPR, a co za tym idzie rozdzielczość, zwiększa się i zmniejsza wraz ze zmianą częstotliwości środkowej. Najwyższą rozdzielczość (najmniejszą długość rozdzielczości) uzyskuje się, gdy górna krawędź prostokąta szerokości pasma styka się z krzywą głębokości eksploracji na żądanej głębokości eksploracji. Rysunek 7: Częstotliwość GPR można ustawić w dowolnym miejscu w obszarze niezacienionym, jak pokazano na rysunku. Wraz ze zmniejszaniem częstotliwości środkowej szerokość pasma, B, maleje, co skutkuje niższą rozdzielczością. Rysunek 8: W niektórych przypadkach nie ma możliwości wyboru częstotliwości, jak pokazano tutaj. Wraz ze wzrostem długości skali niejednorodności granica odcięcia wysokich częstotliwości przesuwa się w dół.

Poniżej przedstawiono uproszczony algorytm, który można zaprogramować w arkuszu kalkulacyjnym i wykorzystać do oszacowania częstotliwości fc w oparciu o tę logikę. (a) Scharakteryzować miejsce badania poprzez oszacowanie lokalnej względnej przenikalności elektrycznej K, przewodności przy niskich częstotliwościach oraz skali niejednorodności L (typowej długości lokalnej zmienności w materiale macierzystym). (b) Obliczyć głębokość eksploracji (patrz rysunek 5).

(c) Określić pożądaną głębokość eksploracji, D (musi być mniejsza niż dplat). (d) Oszacować współczynnik graniczny wysokich częstotliwości dla rozpraszania

(e) Oszacuj maksymalny współczynnik rozdzielczości

wykorzystując

(f) Jeśli R < 1, to GPR nie jest odpowiedni. (g) Jeśli R > 1, wówczas częstotliwość środkowa GPR, która zapewnia najlepszy kompromis między głębokością a długością rozdzielczości, wynosi:

Jeśli materiał macierzysty jest bardzo wilgotny (wysoka zawartość wody > 5%), wówczas fc należy ograniczyć do wartości mniejszej niż 1500 MHz, jeśli obliczona wartość jest większa.

Wyniki te stanowią górne granice częstotliwości. W tej prostej analizie nie uwzględniono faktu, że moc i czułość systemu GPR zwykle rosną wraz ze spadkiem częstotliwości. Zastosowanie nieco niższej częstotliwości niż obliczona jest często rozsądnym wyborem.

Dokładne określenie głębokości odbicia w zapisie danych z georadaru (GPR) wymaga wiedzy na temat prędkości, z jaką sygnały rozchodzą się w badanym materiale. Stosuje się kilka technik, takich jak CMP (wspólny punkt środkowy), WARR (szerokokątne odbicie i załamanie), cel o znanej głębokości, dopasowanie hiperboliczne do lokalnego celu oraz dopasowanie ogona dyfrakcyjnego.

Wszystkie te techniki wymagają wykonania pomiarów GPR wzdłuż trasy, na której geometria ulega kontrolowanym zmianom. Innymi słowy, odległość do celu zmienia się w taki sposób, że można uzyskać oszacowania prędkości.

Rysunek 1: Trasa pomiarowa GPR powinna przebiegać prostopadle do kierunku przebiegu rury lub kabla.

W przypadku lokalizacji rur i kabli lub, jak w przykładzie firmy Conquest dotyczącym lokalizacji prętów zbrojeniowych i rur instalacyjnych, długie obiekty liniowe stanowią cele lokalizacyjne, o ile system GPR porusza się prostopadle do osi tych obiektów (rysunek 1). Aby oszacować prędkość, długość ścieżki do obiektu musi się zmieniać.

Rysunek 2: Widok z góry na powierzchnię ziemi. Przejazd 1 przebiega prostopadle do kierunku przebiegu obiektu i jest optymalny do określenia prędkości. Przejazd 2 przebiega pod kątem ukośnym, a przejazd 3 jest równoległy do osi przebiegu rury. Dane z przejazdów 2 i 3 nie nadają się do określenia prędkości.

Rysunek 2 ilustruje to na przykładzie prostej rury lub kabla. Aby uzyskać informacje o prędkości, system radarowy należy przesuwać prostopadle do osi rury lub kabla. Kierunek wzdłuż długiej osi nazywany jest potocznie „kierunkiem przebiegu” lub w skrócie „przebiegiem”. Jeśli system GPR porusza się prostopadle do kierunku przebiegu, odległość od systemu radarowego do rury zmienia się w sposób regularny. Przesuwanie się równolegle do kierunku przebiegu rury nie powoduje zmiany odległości do rury, a co za tym idzie, na zapisie GPR pojawia się płaski, niezmienny sygnał. Rysunki 3 i 4 przedstawiają te dwa skrajne przypadki na podstawie rzeczywistych danych dotyczących rury drenażowej na polu uprawnym.

Rysunek 3: Dane GPR nad glinianą rurą drenażową, z sondą ustawioną prostopadle do kierunku rury (linia 1 na rysunku 8) Rysunek 4: Dane GPR nad glinianą rurą drenażową, z sondą ustawioną równolegle do kierunku rury (linia 3 na rysunku 8).

Przekroje GPR przedstawiają amplitudę sygnału w funkcji położenia (zwykle na osi poziomej oznaczonej jako x) oraz czasu (zwykle na osi pionowej oznaczonej jako T). Lokalny obiekt charakteryzuje się zależnością czasu przebiegu od położenia, jak pokazano na rysunku 5. Wyprazdzenie matematyczne ma postać krzywej hiperbolicznej (odwrócone U na przekroju GPR), łączącej położenie przestrzenne (x) z czasem przebiegu (T). Rysunek 6 przedstawia odpowiedź na przekroju GPR przy zmianie głębokości obiektu, natomiast na rysunku 7 zmieniano prędkość przy stałej głębokości.

Rysunek 5: Zależność między pozycją GPR (x), głębokością obiektu (d) a czasem przelotu (T). T0 to czas przelotu, gdy GPR znajduje się bezpośrednio nad obiektem. Rysunek 6: Schematyczne zmiany odpowiedzi GPR przy zmiennej głębokości obiektu dla stałej prędkości. Rysunek 7: Schematyczne zmiany odpowiedzi GPR przy zmiennej prędkości dla stałej głębokości obiektu.

Pomocną metodą interpretacji jest wizualne dopasowanie modelu o kształcie hiperbolicznym do danych GPR, jak pokazano na rysunku 8. Umieszczenie wierzchołka modelu (punkt trójkąta) nad wierzchołkiem (górną częścią odwróconej litery U) w sekcji danych pozwala określić wartość To. Dopasowanie kształtu modelu do danych pozwala oszacować prędkość v. Połączenie wartości v i To pozwala oszacować głębokość do wierzchołka obiektu.

Dobra praktyka terenowa zakłada wykonanie kilku tras pomiarowych nad obiektem. Dopasowanie hiperboliczne należy stosować wyłącznie do tej trasy, która daje najbardziej strome nachylenie ramion odwróconej litery U. Takie podejście gwarantuje uzyskanie najbardziej prawidłowej prędkości. Przejazd nieprostopadły do kierunku przebiegu (linia 2 na rysunku 8) zawsze da prędkość wyższą od prędkości rzeczywistej, a głębokość obiektu będzie wydawać się większa niż w rzeczywistości.

Rysunek 8: Przykład dopasowania kształtu do odpowiedzi obiektu na ekranie DVL w terenie. Funkcja ta jest standardowo dostępna w systemach Noggin, Conquest i pulseEKKO.

Systemy GPR muszą rejestrować bardzo szybko zmieniające się sygnały o częstotliwości radiowej. Rejestracja tych sygnałów w celu ich analizy i interpretacji wymaga znacznego stopnia zaawansowania elektronicznego, aby zapewnić pozyskanie danych o wysokiej jakości.

Komercyjne systemy GPR wykorzystują próbkowanie czasu równoważnego (ETS) do rejestrowania przejściowych sygnałów fal radiowych. ETS działa na tej samej zasadzie co stroboskop. W swojej najwcześniejszej postaci analogowe obwody elektroniczne zostały zaprojektowane tak, aby przekształcać szybko zmieniające się napięcie GPR na sygnał o częstotliwości dźwiękowej, który można było nagrać i wyświetlić.

Z biegiem czasu technologia GPR w zakresie rejestracji sygnałów za pomocą ETS znacznie się rozwinęła. Najważniejsze zmiany, jakie zaszły w ciągu ostatnich 30 lat, były następujące:
(a) Rejestrowanie analogowego sygnału o częstotliwości audio na analogowych magnetofonach w celu późniejszego odtworzenia;
(b) Digitalizacja analogowego sygnału o częstotliwości audio w celu zapisania danych na cyfrowej taśmie magnetycznej lub dyskach komputerowych. Do odtwarzania i analizy wykorzystuje się komputery.
(c) Wyeliminowanie etapu przetwarzania audio poprzez bezpośrednie cyfrowe przechwytywanie sygnału w antenie odbiorczej przy zachowaniu tej samej częstotliwości taktującej sygnału analogowego. Dane cyfrowe były rejestrowane na nośnikach cyfrowych.
(d) Digitalizacja sygnału w antenie odbiorczej z cyfrowo (komputerowo) sterowanymi czasami opóźnienia. Rejestrowane są dane cyfrowe. Usunięto wszystkie analogowe elementy układu ETS. Mówi się, że systemy takie wykorzystują cyfrową próbkowanie czasu równoważnego (DETS).

Główne zalety DETS są następujące

(a) Stabilność i wierność synchronizacji oraz amplitudy sygnału.
(b) Możliwość stosowania cyfrowych schematów kompensacji w celu zapewnienia liniowości i kalibracji podstawy czasowej. (c) Pozyskiwanie danych GPR na żądanie bez konieczności utrzymywania pracy zegara analogowego.
(d) Usunięcie analogowych stopni filtrujących w obwodach ETS części audio, które mogą powodować zakłócenia.
(e) Możliwość gromadzenia danych zsynchronizowanych przestrzennie (tj. dane są gromadzone w znanej lokalizacji, uruchamianej przez użytkownika lub elektroniczny system pozycjonowania). Nie ma potrzeby stosowania metody „gumowej taśmy” w celu wyeliminowania zmian prędkości trasy.
(f) Możliwość stosowania programowalnego nakładania w funkcji czasu opóźnienia GPR.
(g) Możliwość rejestrowania różnorodnych danych diagnostycznych wraz z każdym przebiegiem GPR.

Wszystkie systemy GPR firmy Sensors & Software wykorzystują technologię DETS w celu zapewnienia najwyższej możliwej jakości danych GPR.

Systemy GPR działające w dziedzinie częstotliwości i w dziedzinie czasu zasadniczo nie różnią się od siebie i w idealnym świecie dawałyby identyczne wyniki. Powodem istnienia dwóch różnych typów systemów są różne podejścia do rejestrowania szerokopasmowych sygnałów przejściowych w sytuacjach, gdy bezpośrednia rejestracja nie jest możliwa z przyczyn elektronicznych (przetworniki analogowo-cyfrowe nie są jeszcze wystarczająco szybkie dla większości zastosowań GPR). W rezultacie powstaje plątanina elektronicznego bełkotu, która dezorientuje osoby niebędące specjalistami w dziedzinie elektroniki.

W dziedzinie częstotliwości sygnały są emitowane jako fala sinusoidalna. Wyodrębnia się odpowiedź, gdy częstotliwość sinusoidy zmienia się w danym paśmie. Funkcję przenoszenia mierzy się za pomocą technik heterodynowania lub mieszania. Poprzez odpowiednią obróbkę sygnału (transformację Fouriera) uzyskuje się zależność między siłą echa a czasem opóźnienia. Te metody realizacji nazywane są radarami FM-CW i radarami o częstotliwości skokowej.

W dziedzinie czasu wszystkie częstotliwości są emitowane zasadniczo w tym samym czasie i interferują konstruktywnie, tworząc impulsy oraz dostarczając bezpośrednio informacje o relacji między siłą echa a opóźnieniem czasowym. Przechwytywanie sygnału odbywa się za pomocą detekcji synchronicznej. (Sygnał w dziedzinie częstotliwości można zsyntetyzować poprzez transformację Fouriera sygnału w dziedzinie czasu). Powszechnie stosowane nazwy systemów działających w dziedzinie czasu to radary impulsowe, pasma podstawowego oraz UWB.

Wszystkie rządy wprowadziły przepisy regulujące poziom emisji elektromagnetycznej, jaką może wytwarzać urządzenie elektroniczne. Celem tych przepisów jest zapewnienie, aby żadne urządzenie nie zakłócało działania innego urządzenia w sposób uniemożliwiający jego prawidłowe funkcjonowanie.

Firma Sensors & Software Inc. poddaje swoje produkty do obrazowania podpowierzchniowego — pulseEKKO, Noggin i Conquest — szeroko zakrojonym testom przeprowadzanym przez niezależne profesjonalne laboratoria badawcze i spełnia najnowsze przepisy dotyczące emisji obowiązujące w USA, Kanadzie, Unii Europejskiej oraz innych głównych jurysdykcjach.

Urządzenia GPR są uznawane za urządzenia UWB (ultra szerokopasmowe). Organy regulacyjne na całym świecie opracowują nowe przepisy dotyczące urządzeń UWB. Firma Sensors & Software Inc. utrzymuje ścisły kontakt z organami regulacyjnymi, aby wspierać opracowywanie norm i zapewnić zgodność wszystkich produktów z tymi normami. Należy na bieżąco śledzić link „Aktualności” na naszej stronie internetowej (www.sensoft.ca), aby uzyskać najnowsze informacje dotyczące norm.

Urządzenia elektroniczne nie zawsze są projektowane z myślą o odpowiedniej odporności na zakłócenia. Jeśli sprzęt GPR zostanie umieszczony w bliskim sąsiedztwie urządzenia elektronicznego, mogą wystąpić zakłócenia. Chociaż do tej pory nie odnotowano żadnych potwierdzonych przypadków zakłóceń, w przypadku zaobserwowania nietypowego zachowania pobliskich urządzeń należy sprawdzić, czy zakłócenia pojawiają się i ustępują po włączeniu lub wyłączeniu urządzenia GPR. W przypadku potwierdzenia zakłóceń należy zaprzestać korzystania z urządzenia GPR.