Georadiolokalisering (underjordisk radarsounding; markpenetrerande radar , GPR) är en geofysisk metod baserad på emission av pulser av elektromagnetiska vågor och registrering av signaler som reflekteras från olika föremål i den ljudade miljön. En anordning som implementerar principerna för markpenetrerande radar kallas markpenetrerande radar . Dess huvudelement är en pulsgenerator med en sändande antenn, en mottagande antenn och en kontrollenhet.
GPR som ett separat område för vetenskap och teknik inkluderar:
Objekten för GPR-applikationen är miljöer med låg och måttlig absorption av elektromagnetiska vågor: granit, kvartsit, kalksten, gips, sandjordar, ler med låg luftfuktighet, vattendrag, glaciärer, tekniska konstruktioner (järnvägar och vägar, tunnlar, betongkonstruktioner).
Möjligheten till "genomlysning" av bergarter med hjälp av radiovågor etablerades redan 1910-1911. Tyska forskarna G. Lovi och G. Leimbach. 1912 föreslog de också en störningsmetod för att söka efter malmer och vatten med hjälp av radiosändning.
Senare gjordes en andra upptäckt av metoden, under studiet av Antarktis . Vid kartläggning av ytreliefen från ett flygplan med en vanlig lokaliserare ombord började en andra gräns spåras under isgränsen, liknande den första, men med vissa skillnader. Genom att analysera den resulterande bilden kom experterna till slutsatsen att den första gränsen är jordens yta och den andra är basen av istäcket. Från det ögonblicket blev det möjligt att uppskatta isens tjocklek. På grund av den låga absorptionen av elektromagnetiska vågor i isens tjocklek nådde djupet av studien flera hundra meter. Snart, analogt, skapades en markbaserad enhet, kallad georadar , som också användes för att bedöma tjockleken på istäcket. Metoden började utvecklas enbart på praktisk tillämpning, utan stöd av teori. Ändå har den visat sig väl i studier i permafrostförhållanden.
Under senare år har det skett en snabb utveckling av metodteorin. Georadar började användas för att studera inte bara is, utan också andra jordar. Dessutom började georadar användas för att lösa arkeologiska problem, problem i byggandet och många andra. Konferenser och seminarier exklusivt tillägnade GPR hålls årligen .
Funktionsprincipen för utrustning för underjordisk radarljud (markpenetrerande radar) är baserad på emissionen av ultrabredbandspulser (nanosekund) från mätaren och decimeterområdet för elektromagnetiska vågor och mottagningen av signaler som reflekteras från gränssnittet mellan skikten av det sonderade mediet, som har olika elektrofysiska egenskaper. Sådana gränssnitt i de studerade medierna är till exempel kontakten mellan torra och fuktmättade jordar - grundvattennivån, kontakter mellan bergarter av olika litologisk sammansättning, mellan berg och material av en konstgjord struktur, mellan frusen och tinad jord, mellan berggrund och sedimentära bergarter etc. .
Utbredningen av elektromagnetiska vågor i GPR-metoden beskrivs av elektrodynamikens vågekvationer , som är en följd av det kompletta systemet av Maxwells ekvationer .
I praktiska tillämpningar betraktas vågutbredning inom ramen för den geometriska optikens lagar . Fermats princip , Huygens -Fresnel-principen och Snells lag gäller . Följaktligen upplever den fortplantande vågen följande fenomen:
De viktigaste parametrarna för media som kännetecknar utbredningen av elektromagnetiska vågor i dem är hastigheten för vågutbredningen i mediet och den specifika dämpningen.
Utbredningshastigheten för elektromagnetiska vågor beror i allmänhet på den relativa permittiviteten, den relativa magnetiska permeabiliteten och frekvensen för det applicerade fältet. Men för de flesta medier som påträffas i praktiken är den relativa magnetiska permeabiliteten lika med enhet, och effekten av frekvensen kan försummas. Därför bestäms hastigheten för vågutbredning i ett medium av formeln: V = c/root(ε), där c är ljusets hastighet, ε är mediets relativa permittivitet. Hastigheten är starkt beroende av luftfuktigheten.
Specifik dämpning påverkar avsevärt undersökningens djup. Det beror på frekvensen av det applicerade fältet.
| onsdag | Relativ permittivitet | Specifik dämpning, dB/m | Vågens utbredningshastighet, m/ns |
|---|---|---|---|
| Luft | ett | 0 | 0,300 |
| Sanden är blöt | 20 - 30 | 0,5 - 5 | 0,055 - 0,067 |
| Sandtorka | 4 - 6 | 0,01 - 1,5 | 0,122 - 0,150 |
| Blöt lerjord | 10 - 20 | 0,067 - 0,095 | |
| Lörtorka | 4 - 6 | 0,122 - 0,150 | |
| Lera blöt | 19 - 27 | 25 - 110 | 0,058 - 0,069 |
| lera torr | 2 - 7 | 3 - 14 | 0,113 - 0,212 |
| Torv | 50 - 78 | 0,034 - 0,042 | |
| Il | 13 - 27 | 0,058 - 0,083 | |
| Granit | 9 | 0,100 | |
| torr betong | 3 - 7 | 1 - 7 | 0,090 - 0,113 |
| torr asfalt | 3 - 6 | 2 - 15 | 0,122 - 0,173 |
| färsk is | fyra | 0,1 - 3,5 | 0,150 |
| Färskt vatten | 81 | 0,10 | 0,033 |
GPR-mätning kan utföras i två modifikationer: GPR-profilering vid fast bas ( engelsk common offset profiling ) och GPR-ljud vid variabel bas ( engelsk multi-offset profiling ).
Vid georadarprofilering på en permanent bas skisseras en profil längs vilken en operatör sedan passerar med en georadar, i vilken mottagar- och sändarantennerna befinner sig på ett givet avstånd från varandra. Med ett givet steg genererar georadarn en elektromagnetisk puls och registrerar mediets respons - en funktion av amplituden för den reflekterade signalen på fördröjningstiden för den reflekterade pulsen.
Under GPR-ljud på variabel bas ändras inte positionen för GPR-axeln, utan avståndet mellan antennerna ökar gradvis.
Resultatet av georadarundersökningen är en uppsättning enstaka spår (signaler) registrerade av mottagningsantennen vid varje position av georadarn. Vanligtvis visas denna uppsättning spår med hjälp av metoden med variabel densitet, det vill säga i form av en bild - ett radargram. Radargrammets horisontella axel är profilens axel (i meter). Radargrammets vertikala axel är tidsaxeln med början vid det ögonblick då sonderingspulsen sänds. Färgen på varje pixel motsvarar signalamplitudnivån.
Behovet av ytterligare bearbetning av radargram beror på flera skäl. För det första, för att lösa tekniska problem, är det nödvändigt att ha beroendet av signalamplituden på djupet av dess reflektion, medan det ursprungliga radargrammet är beroendet av signalamplituden på reflektionstiden. För det andra är det nödvändigt att bli av med olika typer av störningar som döljer den användbara signalen.
Vid bearbetning av radargram används följande typer av transformationer:
Det sista steget i behandlingen av radargram är tolkning, som direkt löser det tekniska problemet. Tolkningen utförs i två steg: i det första analyseras huvuddragen i vågmönstret, i det andra analyseras dess lokala egenskaper.
Bearbetning av radargram utförs i speciella mjukvarusystem: GeoScan32 , GEORADAR-EXPERT , Krot , Easy3D , Prism . För vetenskapliga ändamål används också GprMax GPR-datamodelleringssystem baserat på finita differensmetoden och MatGPR som distribueras fritt under GNU -licensen skriven på basis av MATLAB .
Fördelarna med GPR-metoden är den relativt låga kostnaden för undersökningen, hög produktivitet och tillverkningsbarhet. Markpenetrerande radar säkerställer kontinuiteten i mätningarna och fastställer ganska tydligt läget för gränserna för marksektioner.
Vid användning av metoden krävs betydande bearbetning av resultaten, vilket beror på erfarenheten hos geofysikern-tolken. Ofta finns det reflektioner och brus på radargrammet (till exempel från kontaktnätsstöd, jordkablar etc.), vilket komplicerar processen att tolka resultaten. I leriga jordar dämpas radiovågor ganska snabbt. Dessutom är det praktiskt taget omöjligt att fastställa mediets fysiska och mekaniska egenskaper enligt GPR-undersökningsdata.
Därför används metoden som regel antingen för en förundersökning eller för att lösa enskilda lokala problem eller i kombination med andra metoder ( seismisk , elektrisk , konventionell borrning , etc.)
Georadaren består av en antenndel, inklusive en sändar- och mottagningsantenn, en registreringsenhet och en kontrollenhet.