Preguntas frecuentes sobre GPR: ¿A qué profundidad puede ver GPR?

¿A qué profundidad puede ver GPR?

“¿A qué profundidad puedes ver?” es la pregunta más común que se les hace a los proveedores de radares de penetración terrestre (GPR). Si bien la física es bien conocida, la mayoría de las personas nuevas en GPR no se dan cuenta de que existen limitaciones físicas fundamentales.

Mucha gente piensa que la penetración del GPR está limitada por la instrumentación. Esto es cierto hasta cierto punto, pero la profundidad de la exploración está gobernada principalmente por el material mismo y ninguna mejora en la instrumentación superará los límites físicos fundamentales.

¿Qué controla la penetración?

Las ondas de radio no penetran muy lejos a través del suelo, las rocas y la mayoría de los materiales fabricados por el hombre, como el hormigón. Prueba de ello es la pérdida de la recepción de radio o de la conexión del teléfono móvil al atravesar un túnel o entrar en un aparcamiento subterráneo.

El hecho de que GPR funcione depende del uso de sistemas de medición muy sensibles y de circunstancias especializadas. Las ondas de radio disminuyen exponencialmente y pronto se vuelven indetectables en materiales que absorben energía, como se muestra en la Figura 1.

Figura 1: Las señales de GPR se desintegran exponencialmente en el suelo y la roca.

El coeficiente de atenuación exponencial, a, está determinado principalmente por la capacidad del material para conducir corrientes eléctricas. En materiales simples y uniformes este suele ser el factor dominante; por tanto, una medición de la conductividad eléctrica (o resistividad) determina la atenuación.

En la mayoría de los materiales, la energía también se pierde debido a la dispersión debido a la variabilidad del material y a la presencia de agua. El agua tiene dos efectos; En primer lugar, el agua contiene iones que contribuyen a la conductividad global. En segundo lugar, la molécula de agua absorbe energía electromagnética a altas frecuencias, típicamente superiores a 1000 MHz (exactamente el mismo mecanismo que explica por qué funcionan los hornos microondas).

La atenuación aumenta con la frecuencia, como se muestra en la Figura 2. En entornos que son susceptibles al sonido GPR, generalmente hay una meseta en la curva de atenuación versus frecuencia que define la "ventana GPR".

Figura 2: La atenuación varía según la frecuencia de excitación y el material. Esta familia de gráficos representa tendencias generales. A bajas frecuencias (1000 MHz), el agua es un fuerte absorbente de energía.

¿Puedo disminuir la frecuencia para mejorar la penetración?

La reducción de la frecuencia mejora la profundidad de la exploración porque la atenuación aumenta principalmente con la frecuencia. Sin embargo, a medida que la frecuencia disminuye, entran en juego otros dos aspectos fundamentales de la medición GPR.

En primer lugar, la reducción de la frecuencia da como resultado una pérdida de resolución. En segundo lugar, si la frecuencia es demasiado baja, los campos electromagnéticos ya no viajan como ondas sino que se difunden, lo cual es el ámbito de las mediciones de corrientes parásitas o EM inductivas.

¿Por qué no puedo simplemente aumentar la potencia de mi transmisor?

Se puede aumentar la profundidad de exploración aumentando la potencia del transmisor. Desafortunadamente, el poder debe aumentar exponencialmente para aumentar la profundidad de la exploración.

Figura 3: Cuando la atenuación limita la profundidad de exploración, la potencia debe aumentar exponencialmente con la profundidad.

La Figura 3 muestra la potencia relativa necesaria para sondear a una profundidad determinada para las atenuaciones representadas en la Figura 1. Se puede ver fácilmente que los aumentos en la profundidad de exploración requieren grandes fuentes de energía.

Además de las limitaciones prácticas, los gobiernos regulan el nivel de emisiones de radio que se pueden generar. Si las señales del transmisor GPR se vuelven demasiado grandes, pueden interferir con otros instrumentos, televisores, radios y teléfonos móviles. (¡Desafortunadamente, estos mismos dispositivos ubicuos suelen ser las fuentes limitantes de ruido para los receptores GPR!)

¿Puedo predecir la profundidad de la exploración?

Sí, siempre que se conozca eléctricamente el material a sondear, se encuentran disponibles numerosos programas de cálculo numérico. La forma más sencilla de obtener estimaciones de la profundidad de exploración es utilizar el análisis de la ecuación de alcance del radar (RRE). Se dispone de software para realizar estos cálculos y existen numerosos artículos sobre el tema. Los conceptos básicos se muestran en la Figura 4.

Figura 4: El alcance del radar, que se muestra aquí en forma de diagrama de flujo, determina la distribución de energía y proporciona un medio para estimar la profundidad de exploración.

El análisis RRE es muy potente para estudios paramétricos y análisis de sensibilidad.

¡El alcance del radar es demasiado complicado!

Muchos usuarios dicen que RRE es demasiado complicado para un uso rutinario. Si no le gusta entrar en cálculos detallados, le sugerimos utilizar la siguiente regla general más sencilla para estimar la profundidad de exploración.

D= 35/metros

donde es la conductividad en mS/m. Si bien no es tan confiable como el RRE, esta útil regla es bastante útil en muchos entornos geológicos.

Un enfoque aún más sencillo es utilizar una tabla o gráfico de profundidades de exploración alcanzadas en materiales comunes. En la Figura 5 se muestra un cuadro de ejemplo de materiales comunes que se encuentran con GPR.

Figura 5: Cuadro de profundidades de exploración en materiales comunes. Estos datos se basan en observaciones del "mejor de los casos". Como lo demuestra la Figura 9, el material por sí solo no es una medida verdadera de la profundidad de exploración.

Las Figuras 6, 7 y 8 muestran ejemplos que van desde exploración profunda a superficial. Se puede ver que el tipo de material controla la profundidad de exploración. Desafortunadamente, la exploración no siempre se puede predecir conociendo sólo el material en el área de estudio.

La Figura 9 muestra una sección donde la geología es básicamente uniforme pero la profundidad de exploración es muy variable. ¡La conductividad del agua de los poros varía mientras que el material geológico es invariante! En este caso, conocer la conductividad proporciona una mejor medida de la profundidad de exploración que conocer el material.

Figura 9: Sección GPR del ajuste de arena. La profundidad de la exploración está determinada por la conductividad del agua de los poros, no por el material de la arena. Los contaminantes que se filtran de un vertedero causan conductividad variable (y profundidad de exploración) según la posición.