GPR-FAQ – Wie tief kann GPR sehen?

Wie tief kann GPR sehen?

„Wie tief kannst du sehen?“ ist die häufigste Frage, die Anbietern von Bodenradaren (GPR) gestellt wird. Obwohl die Physik gut bekannt ist, sind sich die meisten GPR-Neulinge nicht darüber im Klaren, dass es grundlegende physikalische Einschränkungen gibt.

Viele Leute glauben, dass die GPR-Durchdringung durch die Instrumentierung begrenzt wird. Das trifft bis zu einem gewissen Grad zu, aber die Erkundungstiefe wird in erster Linie vom Material selbst bestimmt und keine noch so große Verbesserung der Instrumentierung wird die grundlegenden physikalischen Grenzen überwinden.

Was kontrolliert die Penetration?

Radiowellen dringen nicht weit durch Böden, Felsen und die meisten künstlichen Materialien wie Beton ein. Der Verlust des Radioempfangs oder der Mobilfunkverbindung während der Fahrt mit dem Auto durch einen Tunnel oder in eine Tiefgarage zeugt davon.

Dass GPR überhaupt funktioniert, hängt von der Verwendung sehr empfindlicher Messsysteme und 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 nehmen 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 meist der dominierende Faktor; Daher bestimmt eine Messung der elektrischen Leitfähigkeit (oder des spezifischen Widerstands) die Dämpfung.

Bei den meisten Materialien geht Energie auch durch Streuung aufgrund der Materialvariabilität und durch das Vorhandensein von Wasser verloren. Wasser hat zwei Wirkungen; Erstens enthält Wasser Ionen, die zur Gesamtleitfähigkeit beitragen. Zweitens absorbiert das Wassermolekül elektromagnetische Energie bei hohen Frequenzen, typischerweise über 1000 MHz (genau der gleiche Mechanismus, der dafür verantwortlich ist, warum Mikrowellenherde funktionieren).

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

Abbildung 2: Die Dämpfung variiert je nach Anregungsfrequenz und Material. Diese Diagrammfamilie zeigt allgemeine Trends. Bei niedrigen Frequenzen (1000 MHz) ist Wasser ein starker Energieabsorber.

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

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

Erstens führt eine Verringerung der Frequenz zu einem Verlust an Auflösung. Zweitens, wenn die Frequenz zu niedrig ist, breiten sich elektromagnetische Felder nicht mehr als Wellen aus, sondern diffus, was in den Bereich der induktiven EM- oder Wirbelstrommessungen fällt.

Warum kann ich nicht einfach meine Sendeleistung erhöhen?

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

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

Abbildung 3 zeigt die relative Leistung, die erforderlich ist, um bei den in Abbildung 1 dargestellten Abschwächungen bis zu einer bestimmten Tiefe zu sondieren. Man kann leicht erkennen, dass eine Vergrößerung der Erkundungstiefe große Stromquellen erfordert.

Zusätzlich zu praktischen Einschränkungen regulieren Regierungen die Höhe der Funkemissionen, die erzeugt werden dürfen. Wenn die GPR-Sendersignale zu groß werden, können sie andere Instrumente, Fernseher, Radios und Mobiltelefone stören. (Leider sind dieselben allgegenwärtigen Geräte normalerweise die begrenzenden Lärmquellen 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 Erkundungstiefe zu erhalten, ist die Verwendung der Radar Range Equation (RRE)-Analyse. Es gibt Software zur Durchführung dieser Berechnungen und es gibt zahlreiche Veröffentlichungen zu diesem Thema. Die Grundkonzepte sind in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4: Die Radarreichweite, hier in Form eines Flussdiagramms dargestellt, bestimmt die Energieverteilung und bietet eine Möglichkeit zur Schätzung der Erkundungstiefe.

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

Radarreichweite ist zu kompliziert!

Viele Anwender sagen, RRE sei für den routinemäßigen Einsatz zu kompliziert. Wenn Sie keine Lust auf detaillierte Berechnungen haben, empfehlen wir Ihnen, die folgende einfachere Faustregel zur Schätzung der Erkundungstiefe zu verwenden

D= 35/ Meter

wo ist die 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 in gängigen Materialien erreichten Explorationstiefen zu verwenden. Eine Beispieltabelle für häufig bei GPR vorkommende Materialien 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 das Material allein kein wirkliches Maß für die Explorationstiefe.

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

Abbildung 9 zeigt einen Abschnitt, in dem die Geologie grundsätzlich einheitlich ist, die Explorationstiefe jedoch stark schwankt. 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-Abschnitt aus der Sandlagerung. Die Tiefe der Erkundung wird durch die Leitfähigkeit des Porenwassers bestimmt, nicht durch das Sandmaterial. Aus einer Deponie austretende Schadstoffe verursachen je nach Position unterschiedliche Leitfähigkeiten (und Explorationstiefen).