pulseEKKO TR1000 (1000 MHz) – Sender, Empfänger und Messrad in einem Gehäuse

Bodenradarmessungen (GPR), wie in Abbildung 1 dargestellt, erfassen reflektierte oder gestreute Energie. Im Fachjargon werden Reflexionen durch Änderungen der elektromagnetischen Impedanz erzeugt, die mit Eigenschaftsschwankungen verbunden sind. Leider sind viele GPR-Benutzer mit den esoterischeren Aspekten von Funkfeldern und Materialeigenschaften nicht vertraut.

Abbildung 1: Klassischer Datensatz mit Reflexionen von Objekten, die im Vermessungsbereich vorhanden sind.

Was sind Materialeigenschaften?

"Materialeigenschaften" charakterisieren die physikalischen Eigenschaften eines Materials. Diese Eigenschaften reichen von Dichte, Elastizität, Porosität, Wärmeleitfähigkeit, Farbe, Stoff und Textur bis zu einer Vielzahl anderer Eigenschaften. Die für Radiowellen wichtigen physikalischen Eigenschaften sind dielektrische Permittivität, elektrische Leitfähigkeit und magnetische Permeabilität.

GPR reagiert auf Änderungen der elektrischen und magnetischen Eigenschaften. Menschen neigen natürlich dazu, ein Ziel durch seine visuellen oder mechanischen Eigenschaften zu charakterisieren (d. h. direkt durch Sehen, Berühren usw. wahrgenommen). Oft besteht eine Korrelation zwischen elektrischen und anderen physikalischen Eigenschaften; Daher entsprechen die GPR-Antworten häufig den Vorurteilen der Menschen.

Warum sind elektrische Eigenschaften wichtig?

Die elektrischen Eigenschaften steuern, wie sich elektromagnetische Wellen durch ein Material bewegen. Die dielektrische Permittivität steuert hauptsächlich die Wellengeschwindigkeit. und die Leitfähigkeit bestimmt die Signaldämpfung.

Radarreflexionen treten auf, wenn die Funkwellen auf eine Änderung der Geschwindigkeit oder Dämpfung stoßen. Je größer die Änderung der Eigenschaften ist, desto mehr Signal wird reflektiert.

Viele GPR-Konzepte sind von der Optik abgeleitet. Zum Beispiel beschreibt das Snellsche Gesetz die Biegung von Lichtstrahlen und Radiowellen an einer Grenze zwischen den in Abbildung 2 dargestellten Materialien. Die Biegung (oder Brechung) hängt von der Änderung der Wellengeschwindigkeit zwischen den Materialien ab.

Genau wie in der Optik werden Funkwellen teilweise an Grenzen übertragen und teilweise reflektiert, und der Fresnel-Reflexionskoeffizient beschreibt sowohl Licht- als auch Radarwellen.

Abbildung 2: Radarwellen, die teilweise an Grenzen übertragen und reflektiert werden. Strahlen ändern auch die Richtung, die die Grenze überschreitet.

Was sind Fresnel-Koeffizienten?

Fresnel-Reflexionskoeffizienten quantifizieren die Amplitude von reflektierten und übertragenen Signalen an Grenzen. Das Verhältnis der reflektierten zu einfallenden Signalamplituden ist der Reflexionskoeffizient; Das Verhältnis der Amplituden von übertragenen zu einfallenden Signalen ist der Übertragungskoeffizient.

Reflexionskoeffizienten hängen vom Einfallswinkel, der Polarisation des einfallenden Feldes und dem Geschwindigkeitskontrast ab. Abbildung 3 zeigt die Variation des Reflexionskoeffizienten gegenüber dem Einfallswinkel und der Polarisation für eine GPR-Welle, die am Grundwasserspiegel einfällt und bei der ein Geschwindigkeitskontrast von 1,6:1 auftreten kann.

Abbildung 3: Die Amplitude der reflektierten Signale hängt vom Geschwindigkeitskontrast, der Einfallsrichtung und der Polarität ab. Dargestellt sind die Reflexionen für beide Polarisationen am Grundwasserspiegel.

Die meisten Situationen sind nicht so einfach; Reflektorgröße und -form sind ebenfalls wichtig. Puristen argumentieren, dass Reflexionen Abstraktionen sind und dass alle Antworten Streuantworten sind. Fresnel-Reflexionskoeffizienten setzen implizit eine planare und sehr umfangreiche Grenzfläche voraus. Dies ist in der Realität selten der Fall.

Wie werden unregelmäßige Formen behandelt?

Einige häufige Quellen für Radarreaktionen sind in Abbildung 4 dargestellt. Raue Grenzen, lokalisierte Merkmale, lange, dünne Rohre und Kabel sind weitaus häufiger als die planare Grenze.

Abbildung 4: Gemeinsame GPR-Ziele können verschiedene Geometrien und räumliche Maßstäbe aufweisen.

Die Geometrie wird wichtig, wenn sich die Grenzgeometriedimensionen der Größe der räumlichen Dimension des Radarsignals (d. h. der Wellenlänge) nähern. In diesem Fall müssen Ziele als Sammlungen von Streupunkten betrachtet werden, die jeweils einen Teil des einfallenden Signals erfassen und erneut ausstrahlen. Diese einzelnen Streuer interagieren miteinander, um die zurückgestrahlte Energie zu verbessern oder zu verringern. Streuer zeichnen sich durch ihren Radarquerschnitt und eine Rückstreuungsverstärkung aus.

Was sind GPR-Querschnitt und Rückstreugewinn?

Der Querschnitt ist ein Maß für die effektive Fläche, die ein Streuer in den Pfad des einfallenden Radarsignals projiziert. Die Energie der einfallenden Radarwellenfront pro Flächeneinheit multipliziert mit der Querschnittsfläche bestimmt die Energie, die der Streuer aus der einfallenden Welle extrahiert.

Abbildung 5: Darstellung der Streuquerschnittsfläche und der Rückstreuungsverstärkung. In (a) wird eine große Fläche dargestellt und die meiste Energie zurückgeleitet. In (b) weist das Ziel einen kleinen Querschnitt auf und das gestreute Signal wird nicht zum Empfänger zurückgeleitet.

Das energieextrahierte Signal kann in jede Richtung absorbiert oder wieder abgestrahlt werden. Die Rückstreuungsverstärkung misst die Energiemenge, die in Richtung des einfallenden Signals zurückgestrahlt wird, wie in Abbildung 5 dargestellt.

Die Rückstreuungsverstärkung und die Querschnittsfläche werden entweder aus numerischen Modellen berechnet oder in Laboratorien für geometrische Standardformen gemessen. Einige einfache Geometrien ergeben relativ kompakte analytische Rückstreuungsverstärkungsformeln.

Die Querschnittsfläche ist eine Funktion des tatsächlichen geometrischen Querschnitts eines Objekts sowie des Kontrasts der elektrischen Eigenschaften. Die rückgestreute Verstärkung wird hauptsächlich durch die geometrischen Eigenschaften des Objekts gesteuert.

Was bedeutet das alles?

Kurz gesagt, Radarantworten sind eine Funktion sowohl des Kontrasts der physikalischen Eigenschaften als auch der Geometrie. Die Reaktion einer Kugel, wie in Abbildung 6 dargestellt, veranschaulicht dieses Konzept.

Abbildung 6: Streuung von einem Kugelkörper als Funktion der Kugeldimension. Bei einer kleinen Kugel dominiert die Größe. Bei einer großen Kugel nähert sich die Antwort einem planaren Ziel.

Bei kleinen Objekten nimmt die Menge der gestreuten Energie mit der vierten Potenz der Zieldimension zu. Wenn das Ziel groß wird, fällt die Antwort ab und nähert sich der einer planaren Grenze (d. h. des Fresnel-Reflexionskoeffizienten). Zwischen den Extremen schwingt die Reaktion aufgrund konstruktiver und destruktiver Interferenzen innerhalb des Ziels.

"Wie tief kannst du sehen?" ist die häufigste Frage, die von Anbietern von Bodenradargeräten (GPR) gestellt wird. Obwohl die Physik bekannt ist, erkennen die meisten GPR-Neulinge nicht, dass es grundlegende physikalische Einschränkungen gibt.

Viele Leute denken, dass die GPR-Penetration durch Instrumentierung begrenzt wird. Dies trifft bis zu einem gewissen Grad zu, aber die Explorationstiefe wird hauptsächlich vom Material selbst bestimmt, und keine Verbesserung der Instrumentierung wird die grundlegenden physikalischen Grenzen überwinden.

Was steuert die Penetration?

Radiowellen dringen nicht weit durch Böden, Felsen und die meisten künstlichen Materialien wie Beton. Der Verlust des Funkempfangs oder der Handyverbindung beim Fahren eines Autos durch einen Tunnel oder in eine Tiefgarage bestätigt dies.

Die Tatsache, dass GPR überhaupt funktioniert, hängt von den verwendeten sehr empfindlichen Messsystemen und den besonderen Umständen ab. Radiowellen nehmen exponentiell ab und werden in energieabsorbierenden Materialien bald nicht mehr nachweisbar, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: GPR-Signale fallen in Boden und Gestein exponentiell ab.

Der exponentielle Dämpfungskoeffizient a wird hauptsächlich durch die Fähigkeit des Materials bestimmt, elektrische Ströme zu leiten. Bei einfachen einheitlichen Materialien ist dies normalerweise der dominierende Faktor; Somit bestimmt eine Messung der elektrischen Leitfähigkeit (oder des spezifischen Widerstands) die Dämpfung.

In den meisten Materialien geht Energie auch durch Streuung aufgrund von Materialvariabilität und durch Vorhandensein von Wasser verloren. Wasser hat zwei Wirkungen; Erstens enthält Wasser Ionen, die zur Volumenleitfähigkeit beitragen. Zweitens absorbiert das Wassermolekül elektromagnetische Energie bei hohen Frequenzen, die typischerweise über 1000 MHz liegen (genau derselbe Mechanismus, der erklärt, warum Mikrowellenöfen funktionieren).

Die Dämpfung nimmt mit der Frequenz zu, wie in Abbildung 2 dargestellt. In Umgebungen, die für GPR-Geräusche geeignet sind, gibt es normalerweise ein Plateau in der Kurve zwischen Dämpfung und Frequenz, das das „GPR-Fenster“ definiert.

Abbildung 2: Die Dämpfung variiert mit der Anregungsfrequenz und dem Material. Diese Familie von Diagrammen zeigt allgemeine Trends. Bei niedrigen Frequenzen (1000 MHz) ist Wasser ein starker Energieabsorber.

Kann ich die Frequenz verringern, um die Penetration zu verbessern?

Durch Verringern der Frequenz wird die Erkundungstiefe verbessert, da die Dämpfung hauptsächlich mit der Frequenz zunimmt. Mit abnehmender Frequenz kommen jedoch zwei weitere grundlegende Aspekte der GPR-Messung ins Spiel.

Erstens führt das Verringern der Frequenz zu einem Auflösungsverlust. Zweitens, wenn die Frequenz zu niedrig ist, bewegen sich elektromagnetische Felder nicht mehr als Wellen, sondern diffundieren, was der Bereich induktiver EM- oder Wirbelstrommessungen ist.

Warum kann ich meine Sendeleistung nicht einfach erhöhen?

Man kann die Erkundungstiefe erhöhen, indem man die Sendeleistung erhöht. Leider muss die Leistung exponentiell ansteigen, um die Erkundungstiefe zu erhöhen.

Abbildung 3: Wenn die Dämpfung die Erkundungstiefe begrenzt, muss die Leistung mit der Tiefe exponentiell ansteigen.

Abbildung 3 zeigt die relative Leistung, die erforderlich ist, um für die in Abbildung 1 dargestellten Dämpfungen auf eine bestimmte Tiefe abzutasten.

Zusätzlich zu den praktischen Einschränkungen regeln die Regierungen die Höhe der Funkemissionen, die erzeugt werden können. Wenn die GPR-Sendersignale zu groß werden, können sie andere Instrumente, Fernseher, Radios und Mobiltelefone stören. (Leider sind dieselben allgegenwärtigen Geräte normalerweise die begrenzenden Rauschquellen für GPR-Empfänger!)

Kann ich die Erkundungstiefe vorhersagen?

Ja, sofern das zu untersuchende Material elektrisch bekannt ist, stehen viele numerische Berechnungsprogramme zur Verfügung. Der einfachste Weg, Schätzungen der Explorationstiefe zu erhalten, ist die Verwendung der Radarentfernungsgleichungsanalyse (RRE). Software zur Durchführung dieser Berechnungen ist verfügbar und es gibt zahlreiche Artikel zu diesem Thema. Die Grundkonzepte sind in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4: Die hier in Flussdiagrammform dargestellte Radarreichweite bestimmt die Energieverteilung und bietet eine Möglichkeit zur Schätzung der Explorationstiefe.

Die RRE-Analyse ist sehr leistungsfähig für parametrische Studien und Sensitivitätsanalysen.

Radarreichweite ist zu kompliziert!

Viele Benutzer sagen, dass RRE für den Routineeinsatz zu kompliziert ist. Wenn Sie keine detaillierten Berechnungen durchführen möchten, empfehlen wir die Verwendung der folgenden einfacheren Faustregel zur Schätzung der Explorationstiefe

D = 35 / Meter

wo ist Leitfähigkeit in mS / m. Diese hilfreiche Regel ist zwar nicht so zuverlässig wie die RRE, aber in vielen geologischen Umgebungen sehr nützlich.

Ein noch einfacherer Ansatz besteht darin, eine Tabelle oder ein Diagramm der Explorationstiefen zu verwenden, die in gängigen Materialien erreicht werden. Ein Beispieldiagramm für gängige Materialien, die mit GPR auftreten, ist in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5: Diagramm der Explorationstiefen in gängigen Materialien. Diese Daten basieren auf Best-Case-Beobachtungen. Wie Abbildung 9 zeigt, ist Material allein kein echtes Maß für die Explorationstiefe.

Die Abbildungen 6, 7 und 8 zeigen Beispiele, die von tiefer bis flacher Erkundung reichen. Der Materialtyp steuert die Explorationstiefe. Leider kann die Exploration nicht immer vorhergesagt werden, wenn nur das Material im Untersuchungsgebiet bekannt ist.

Abbildung 6: Daten von einem massiven Granit - Reflexionen sind Brüche. Abbildung 7: Daten zur Einstreu in feuchten Sandablagerungen. Abbildung 8: Die Daten zeigen die Reaktion von Fässern in feuchtem, schlammigem Ton.

Abbildung 9 zeigt einen Abschnitt, in dem die Geologie grundsätzlich einheitlich ist, die Erkundungstiefe jedoch sehr unterschiedlich ist. Die Leitfähigkeit des Porenwassers variiert, während das geologische Material unveränderlich ist! In diesem Fall liefert die Kenntnis der Leitfähigkeit ein besseres Maß für die Erkundungstiefe als die Kenntnis des Materials.

Abbildung 9: GPR-Schnitt aus der Sandeinstellung. Die Explorationstiefe wird durch die Porenwasserleitfähigkeit bestimmt - nicht durch das Sandmaterial. Aus einer Deponie auslaugende Verunreinigungen verursachen eine variable Leitfähigkeit (und Explorationstiefe) mit der Position.

Bodenradar (GPR) ist der allgemeine Begriff für Techniken, die Funkwellen verwenden, typischerweise im Frequenzbereich von 1 bis 1000 MHz, um Strukturen und Merkmale abzubilden, die im Boden (oder in künstlichen Strukturen) vergraben sind. In der Vergangenheit konzentrierte sich GPR hauptsächlich auf die Kartierung von Strukturen im Boden. In jüngerer Zeit wurde GPR bei der zerstörungsfreien Prüfung nichtmetallischer Strukturen eingesetzt.

Das Konzept der Anwendung von Funkwellen zur Untersuchung der inneren Struktur des Bodens ist nicht neu. Ohne Zweifel war die erfolgreichste frühe Arbeit in diesem Bereich die Verwendung von Radio-Echo-Schallgebern, um die Dicke der Eisplatten in der Arktis und Antarktis abzubilden und die Dicke der Gletscher zu ermitteln. Die Arbeit mit GPR in Umgebungen ohne Eis begann Anfang der 1970er Jahre. Frühe Arbeiten konzentrierten sich auf Permafrost-Bodenanwendungen.

GPR-Anwendungen sind nur durch die Vorstellungskraft und Verfügbarkeit geeigneter Instrumente begrenzt. Heutzutage wird GPR in vielen verschiedenen Bereichen eingesetzt, einschließlich der Suche nach vergrabenen Versorgungsunternehmen, der Bewertung von Minenstandorten, forensischen Untersuchungen, archäologischen Ausgrabungen, der Suche nach vergrabenen Landminen und nicht explodierten Kampfmitteln sowie der Messung der Schnee- und Eisdicke und -qualität für das Skipistenmanagement und die Lawinenvorhersage. um ein paar zu nennen.

Wie funktioniert es?

1. Sendet schwache Hochfrequenzsignale aus
2. Erkennt die zurückgesendeten Echos und erstellt daraus ein Bild
3. Zeigt die Signalzeitverzögerung und -stärke an

GPR ist wie ein Fischfinder und ein Echolot

1. Der Finder sendet einen Ping
2. Das Signal wird vom Fisch zurückgestreut
3. Das Signal wird von unten zurückgestreut

1. Während sich das Boot bewegt, sammelt es Aufzeichnungen
2. Die Aufnahmen werden nebeneinander angezeigt
3. Das Ergebnis sieht aus wie ein Querschnitt

GPR-Erkundungstiefen

Die Erkundungstiefe ist ortsspezifisch

• Böden absorbieren Radiowellen
• Sand und Kies sind günstig für GPR
• feinkörnige Böden wie Schlick und Ton absorbieren Signale
• Salzwasser ist völlig undurchsichtig

Was ist so schwer an GPR?

1. Der Boden ist komplizierter
2. Vom Menschen geschaffene Strukturen sind komplex
3. Manche Dinge spiegeln sich einfach nicht wider
4. Einige Gründe absorbieren alle Signale

Warum sieht das Rohr nicht wie ein Rohr aus?

• Der GPR-Datensatz ist ein Pseudobild des Bodens
• Lokalisierte Merkmale werden zu Hyperbeln (invertierte Vs).
• Der GPR sendet Signale in alle Richtungen in den Boden
• Echos werden aus allen Richtungen beobachtet
• Die nächste Annäherung (über dem Ziel) erfolgt an der Spitze von V.
• Die Form des invertierten V hilft bei der Bestimmung der genauen Tiefe

Hochfrequente elektromagnetische Felder können bei intensiven Feldern ein Gesundheitsrisiko darstellen. Normale Felder wurden in den letzten 30 Jahren ausgiebig untersucht, ohne dass eine schlüssige Epidemiologie vorliegt, die elektromagnetische Felder mit Gesundheitsproblemen in Verbindung bringt. Detaillierte Diskussionen zu diesem Thema finden Sie in den unten aufgeführten Referenzen und auf den Websites.

Die US-amerikanische Federal Communication Commission (FCC) und die Arbeitsschutzbehörde (OSHA) legen beide akzeptable Werte für elektromagnetische Felder fest. Ähnliche Leistungsniveaus werden von entsprechenden Agenturen in anderen Ländern vorgeschrieben. Die von der FCC und der OSHA festgelegten maximal zulässigen Expositionen und Zeitdauern variieren mit der Anregungsfrequenz. Die niedrigste angegebene Schwellenwellenäquivalentleistung beträgt 0.2 mW / cm2 für die allgemeine Bevölkerung über das Frequenzband von 30 bis 300 MHz. Alle anderen Anwendungen und Frequenzen haben höhere Toleranzen, wie in Abbildung 1 grafisch dargestellt.

Abbildung 1: FCC-Grenzwerte für die maximal zulässige Belichtungsdichte (MPE) für ebene Wellenäquivalente mW / cm2.

Alle pulsEKKO-, Noggin®- und Conquest ™ -Produkte von Sensors & Software Inc. werden normalerweise mindestens 1 m vom Benutzer entfernt betrieben und sind daher gemäß FCC als „mobile“ Geräte klassifiziert. Typische Leistungsdichtewerte in einem Abstand von 1 m oder mehr zu einem Produkt von Sensors & Software Inc. liegen unter 10-3 mW / cm2, was 200- bis 10,000-mal unter den vorgeschriebenen Grenzwerten liegt. Daher stellen Produkte von Sensors & Software Inc. kein Gesundheits- und Sicherheitsrisiko dar, wenn sie bei normaler Verwendung verwendet werden.

Referenzen

1. Fragen und Antworten zu biologischen Wirkungen und möglichen Gefahren des hochfrequenten elektromagnetischen Feldes.

USA Federal Communications Commission, Büro für Ingenieurwesen und Technologie

OET Bulletin 56 (Enthält viele Referenzen und Websites)

2. Bewertung Einhaltung der FCC-Richtlinien für die Exposition von Menschen gegenüber hochfrequenten elektromagnetischen Feldern.

USA Federal Communications Commission, Büro für Ingenieurwesen und Technologie

OET Bulletin 56 (Enthält viele Referenzen und Websites)

3. Vorschriften der USA für Arbeitssicherheit und Gesundheitsschutz, Absätze 1910.67 und 1910.263.

Webseiten

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

Die Frequenzauswahl wird durch zwei Vermessungsanforderungen gesteuert - Erkundungstiefe und Auflösungslänge, wie in Abbildung 1 dargestellt. Die Auflösungslänge gibt die Fähigkeit an, eng beieinander liegende Ziele eindeutig zu identifizieren. Weitere Details zur Auflösungslänge finden Sie im EKKO_Update vom Januar 2003.

Abbildung 1: Die Frequenzauswahl wird durch die Erkundungstiefe und die Auflösungslänge D Z gesteuert.

Die Explorationstiefe hängt von vielen ortsspezifischen Faktoren ab, wobei der wichtigste die Signaldämpfungsrate im Wirtsmaterial ist. Die Dämpfungsrate hängt von der GPR-Frequenz ab, wie in Abbildung 2 gezeigt.

Abbildung 2: Die Dämpfung bestimmt die Explorationstiefe. In einem idealen Material liegen die Dämpfungsplateaus über der Übergangsfrequenz. In realen Umgebungen führen Wasser- oder Volumenstreuung dazu, dass die Dämpfung mit der Frequenz zunimmt. Der Beginn von Hochfrequenzverlusten ist sehr ortsspezifisch.

In einem idealen Material Dämpfungsplateaus bei hoher Frequenz. In realen Materialien erhöhen Heterogenität und Wasserrelaxationsabsorption die Dämpfung bei hoher Frequenz. Wie in Abbildung 3 dargestellt, treten immer Streuverluste auf. Eine Straßenlaterne im Nebel ist eine gute Analogie. Wassertropfen streuen das Licht, was zu einer stark eingeschränkten Sichtbarkeit führt (d. h. die Lichtdurchlässigkeit wird verringert).

Abbildung 3: GPR-Signale werden durch kleine Heterogenitäten der Materialeigenschaften gestreut, die das übertragene Signal reduzieren.

Die Auflösungslänge variiert proportional zur GPR-Frequenz, da die Systembandbreite der Mittenfrequenz für Impuls- oder Basisband-GPRs entspricht, wie in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4: Räumliche Auflösung in Abhängigkeit von der Frequenzlänge. Die Materialgeschwindigkeit ändert die räumliche Auflösung.

Die Abbildungen 2 und 4 veranschaulichen das Dilemma: Mit zunehmender GPR-Frequenz nimmt die Auflösung zu, aber die Erkundungstiefe nimmt ab. Die Kompromisslösung hat eine logische, aber nicht immer eindeutige Lösung.

Die Darstellung der Erkundungstiefe gegen die Frequenz, wie in Abbildung 5 dargestellt, bildet die Grundlage für diese Diskussion. Der Einfachheit halber wird die Explorationstiefe so gewählt, dass sie drei Dämpfungslängen im Material beträgt. Die Dämpfungslänge ist die Umkehrung der Dämpfungsrate und wird oft als Hauttiefe bezeichnet.

Abbildung 5: Die Erkundungstiefe (angenommen drei Dämpfungslängen) variiert mit der Frequenz. Die Abnahme der Explorationstiefe bei hohen Frequenzen begrenzt die obere praktische GPR-Frequenz.

Wie in Abbildung 6 gezeigt, muss die GPR-Bandbreite zwischen den schattierten Bereichen liegen, in denen GPR keine geeignete Methode ist (die Streuung ist einfach zu groß). Für eine maximale Auflösung wird fc so gewählt, dass die Oberkante der GPR-Bandbreite die Erkundungstiefenkurve berührt. In einigen Situationen kann ein Bereich von Auflösungen und Mittenfrequenzen ausgewählt werden (Abbildung 7), während in einigen Situationen wenig Auswahl bleibt (Abbildung 8).

Abbildung 6: Auf einer logarithmischen Skala nimmt die GPR-Bandbreite und damit die Auflösung zu und ab, wenn sich die Mittenfrequenz ändert. Die höchste Auflösung (kleinste Auflösungslänge) wird erreicht, wenn der obere Rand des Bandbreitenfelds die Erkundungstiefenkurve bei der gewünschten Erkundungstiefe berührt. Abbildung 7: Die GPR-Frequenz kann wie in der Abbildung dargestellt an einer beliebigen Stelle im nicht schattierten Bereich platziert werden. Wenn die Mittenfrequenz verringert wird, nimmt die Bandbreite B ab, was zu einer geringeren Auflösung führt. Abbildung 8: In einigen Fällen gibt es keine Auswahl für die Frequenz, wie hier gezeigt. Mit zunehmender Länge der Heterogenitätsskala bewegt sich der Hochfrequenz-Cutoff nach unten.

Das Folgende ist ein vereinfachter Algorithmus, der in einer Tabelle codiert und verwendet werden kann, um fc basierend auf dieser Logik zu schätzen. (a) Charakterisieren Sie die Stelle durch Schätzen der lokalen relativen Permittivität K, der Niederfrequenzleitfähigkeit und der Heterogenitätsskala L (typische Länge der lokalen Variabilität im Wirtsmaterial). (b) Berechnen Sie die Erkundungstiefe (siehe Abbildung 5).

(c) Geben Sie die gewünschte Erkundungstiefe D an (muss kleiner als dplat sein). (d) Schätzen Sie den Hochfrequenzgrenzfaktor für die Streuung

(e) Schätzen Sie das maximale Auflösungsverhältnis

mit automatisierten

(f) Wenn R <1 ist, ist GPR unangemessen. (g) Wenn R> 1 ist, ist die GPR-Mittenfrequenz, die den größten Kompromiss zwischen Tiefe und Auflösungslänge ergibt:

Wenn der Wirt sehr nass ist (hoher Wassergehalt> 5%), sollte fc auf weniger als 1500 MHz begrenzt werden, wenn der berechnete Wert größer ist.

Diese Ergebnisse sind Obergrenzen für die Frequenz. Nicht in dieser einfachen Analyse enthalten ist die Tatsache, dass die Leistung und Empfindlichkeit des GPR-Systems mit abnehmender Frequenz tendenziell zunimmt. Die Verwendung einer etwas niedrigeren Frequenz als der berechneten ist oft eine kluge Wahl.

Um die Tiefe einer Reflexion in einem GPR-Datensatz genau bestimmen zu können, muss bekannt sein, wie schnell sich die Signale in dem untersuchten Material bewegen. Es werden verschiedene Techniken verwendet, wie CMP (gemeinsamer Mittelpunkt), WARR (Weitwinkelreflexion und -brechung), Ziel mit bekannter Tiefe, hyperbolische Anpassung an ein lokales Ziel und Beugungsschwanzanpassung.

Alle diese Techniken erfordern GPR-Messungen entlang einer Traverse, bei der die Geometrie kontrolliert variiert. Mit anderen Worten variiert die Entfernung zu einem Ziel so, dass Geschwindigkeitsschätzungen extrahiert werden können.

Abbildung 1: Die GPR-Traverse sollte senkrecht zur Rohr- oder Kabelschlagrichtung sein.

Für die Rohr- und Kabelposition oder im Conquest-Beispiel für die Position von Bewehrungsstäben und Leitungen sind lange lineare Merkmale lokalisierte Ziele, wenn das GPR-System senkrecht zur Merkmalsausrichtung verläuft (Abbildung 1). Um die Geschwindigkeit abzuschätzen, muss die Pfadlänge zum Objekt variieren.

Abbildung 2: Draufsicht auf den Boden von oben. Die Traverse 1 steht senkrecht zum Schlag und ist optimal für die Geschwindigkeitsbestimmung. Die Traverse 2 ist in einem schrägen Winkel und die Traverse 3 ist parallel zur Rohrschlagachse. Daten aus den Traversen 2 und 3 sind nicht zur Bestimmung der Geschwindigkeit geeignet.

Abbildung 2 zeigt dies am Beispiel eines geraden Rohrs oder Kabels. Um Geschwindigkeitsinformationen zu extrahieren, muss das Radarsystem senkrecht zur Achse des Rohrs oder Kabels bewegt werden. Die Richtung der langen Achse wird üblicherweise als "Schlagrichtung" oder kurz "Schlag" bezeichnet. Wenn ein GPR senkrecht zum Schlag fährt, variiert der Abstand vom Radarsystem zum Rohr regelmäßig. Das parallele Durchlaufen des Rohrschlags führt zu keiner Änderung des Rohrabstands und damit zu einem flachen, sich nicht ändernden Ereignis im GPR-Datensatz. Die Abbildungen 3 und 4 zeigen diese beiden Extreme anhand realer Daten aus einem Abflussrohr in einem landwirtschaftlichen Feld.

Abbildung 3: GPR-Daten über einem Tonentwässerungsrohr senkrecht zur Rohrrichtung (Linie 1 in Abbildung 8) Abbildung 4: GPR-Daten über ein Tonentwässerungsrohr parallel zur Rohrrichtung (Linie 3 in Abbildung 8).

GPR-Querschnitte zeigen die Signalamplitude gegenüber der Position (normalerweise auf der mit x bezeichneten horizontalen Achse) und der Zeit (normalerweise auf der mit T bezeichneten vertikalen Achse) an. Ein lokales Ziel hat eine Laufzeit gegenüber der Position, wie in Abbildung 5 dargestellt. Die mathematische Form ist eine hyperbolische Form (umgekehrtes U in einem GPR-Abschnitt), die die räumliche Position (x) mit der Reisezeit (T) in Beziehung setzt. Fig. 6 zeigt die Reaktion in einem GPR-Querschnitt, wenn die Zieltiefe variiert wird, während in Fig. 7 die Geschwindigkeit für eine feste Tiefe geändert wird.

Abbildung 5: Beziehung zwischen GPR-Position (x), Objekttiefe (d) und Laufzeit (T). To ist die Reisezeit, wenn sich GPR direkt über dem Objekt befindet. Abbildung 6: Schematische Variationen der GPR-Reaktion, wenn die Objekttiefe für eine konstante Geschwindigkeit variiert wird. Abbildung 7: Schematische Variationen der GPR-Reaktion, wenn die Geschwindigkeit für eine feste Objekttiefe variiert wird.

Eine praktische Interpretationshilfe besteht darin, eine hyperbolische Form des Modells visuell an die GPR-Daten anzupassen, wie in Abbildung 8 dargestellt. Wenn Sie die Oberseite des Modells (Dreieckspunkt) über der Spitze (Oberseite des umgekehrten U) im Datenabschnitt platzieren, wird An ausgewählt. Das Anpassen der Modellform an die Daten ergibt eine Schätzung der Geschwindigkeit, v. Die Kombination von v und To ergibt eine Schätzung der Tiefe bis zur Spitze des Ziels.

Gute Feldpraxis beinhaltet mehrere Durchquerungen eines Objekts. Verwenden Sie nur die hyperbolische Anpassung an der Traverse, die den Armen des umgekehrten U die steilste Neigung verleiht. Dieser Ansatz stellt sicher, dass die korrekteste Geschwindigkeit erreicht wird. Eine Traverse, die nicht senkrecht zum Aufprall verläuft (Linie 2 in Abbildung 8), ergibt immer eine Geschwindigkeit, die höher als die wahre Geschwindigkeit ist, und die Objekttiefe erscheint tiefer als die Realität.

Abbildung 8: Beispiel für die Formanpassung an eine Zielantwort auf dem DVL-Bildschirm im Feld. Diese Funktion ist Standard bei Noggin-, Conquest- und pulsEKKO-Systemen.

GPR-Systeme müssen sich sehr schnell ändernde Hochfrequenzsignale erfassen. Die Erfassung dieser Signale zur Analyse und Interpretation erfordert ein beträchtliches Maß an elektronischer Raffinesse, so dass High-Fidelity-Daten erfasst werden.

Kommerzielle GPR verwenden äquivalente Zeitabtastung (ETS), um die transienten Funkwellensignale zu erfassen. ETS verwendet dieselben Prinzipien wie ein Stroboskop. In ihrer frühesten Form wurde eine analoge elektronische Schaltung entwickelt, um die sich schnell ändernde GPR-Spannung in ein Audiofrequenzsignal umzuwandeln, das aufgezeichnet und angezeigt werden konnte.

Mit der Zeit hat sich die GPR-Technologie der Signalerfassung mit ETS erheblich weiterentwickelt. Die wichtigsten Entwicklungen in den letzten 30 Jahren waren wie folgt.
(a) Aufzeichnen des analogen Audiofrequenzsignals auf analogen Audiorecorder zur Wiedergabe.
(b) Digitalisieren des analogen Audiofrequenzsignals zum Aufzeichnen der Daten auf digitalem Magnetband oder Computerplatten. Computer werden zur Wiedergabe und Analyse verwendet.
(c) Eliminierung der Audio-Instrumentenstufe mit direkter digitaler Signalerfassung an der Empfangsantenne unter Beibehaltung der gleichen analogen Signaltaktung. Digitale Daten wurden auf digitalen Medien aufgezeichnet.
(d) Digitalisierung des Signals an der Empfangsantenne mit digital (computer) gesteuerten Verzögerungszeiten. Digitale Daten werden aufgezeichnet. Alle analogen ETS-Komponenten werden entfernt. Solche Systeme sollen digitale äquivalente Zeitabtastung (DETS) verwenden.

Die Hauptvorteile von DETS sind folgende

(a) Timing und Signalamplitudenstabilität und -treue.
(b) Die Fähigkeit, digitale Kompensationsschemata zu verwenden, um die Linearität und Kalibrierung der Zeitbasis sicherzustellen. (c) Erfassung von GPR-Daten bei Bedarf, ohne dass die analoge Taktung ausgeführt werden muss.
(d) Entfernen von analogen Filterstufen in Audioteil-ETS-Schaltungen, die Ablenkung erzeugen können.
(e) Fähigkeit, räumlich synchronisierte Daten zu erfassen (dh Daten werden an einem bekannten Ort erfasst, der durch Benutzer- oder elektronische Positionierung ausgelöst wird). Kein Gummiband erforderlich, um Schwankungen der Verfahrgeschwindigkeit auszugleichen.
(f) Fähigkeit, programmierbares Stapeln gegenüber der GPR-Verzögerungszeit zu verwenden.
(g) Fähigkeit, eine Vielzahl von Diagnosedaten mit jedem GPR-Trace zu protokollieren.

Alle GPR-Systeme von Sensors & Software verwenden DETS, um die höchstmögliche GPR-Datenqualität sicherzustellen.

Frequenz- und Zeitbereichs-GPRs unterscheiden sich im Prinzip nicht und würden in einer perfekten Welt zu identischen Ergebnissen führen. Der Grund dafür, dass es zwei verschiedene Arten von Systemen gibt, beruht auf verschiedenen Ansätzen zur Erfassung transienter Breitbandsignale, wenn eine direkte Erfassung elektronisch nicht möglich ist (A / D-Wandler sind für die meisten GPR-Anwendungen noch nicht schnell genug). Das Ergebnis ist ein Haufen elektronischer Hokuspokus, der nicht elektronische Spezialisten verwirrt.

Im Frequenzbereich werden die Signale als Sinuswelle emittiert. Die Antwort wird extrahiert, wenn sich die Frequenz der Sinuskurve über eine gegebene Bandbreite ändert. Die Übertragungsfunktion wird durch Überlagerungs- oder Mischtechniken gemessen. Durch geeignete Signalmanipulation (Fourier-Transformation) wird die Echostärke gegenüber der Verzögerungszeit extrahiert. Diese Implementierungsmethoden werden als FM-CW- und Schrittfrequenzradare bezeichnet.

Im Zeitbereich werden alle Frequenzen im Wesentlichen zur gleichen Zeit emittiert und sie interferieren konstruktiv, um Impulse zu geben und direkt die Echostärke gegenüber der Laufzeitverzögerungsinformation zu erzeugen. Die Signalerfassung verwendet eine synchrone Erkennung des Signals. (Das Frequenzdomänensignal kann durch Fourier-Transformation des Zeitdomänensignals synthetisiert werden). Gebräuchliche Namen für Zeitdomänensysteme sind Impuls-, Basisband- und UWB-Radar.