GPR FAQ - GPR はどのくらいの深さまで見ることができますか?

GPR はどのくらいの深さまで見えるのか

「どのくらいの深さまで見えますか？」これは、地中レーダー (GPR) ベンダーに寄せられる最も一般的な質問です。物理学はよく知られていますが、GPR を初めて使用する人のほとんどは、基本的な物理的な制限があることに気づいていません。

多くの人は、GPR の普及は機器によって制限されると考えています。これはある程度真実ですが、探査深さは主に材料自体によって決まり、機器をいくら改善しても基本的な物理的限界を克服することはできません。

浸透を制御するものは何ですか?

電波は土壌、岩石、コンクリートなどのほとんどの人工材料を遠くまで浸透しません。車を運転してトンネルを通過したり、地下駐車場に進入したりするときに、ラジオの受信や携帯電話の接続が失われることが、これを証明しています。

GPR が機能するかどうかは、使用される非常に高感度の測定システムと特殊な状況に依存します。図 1 に示すように、電波は指数関数的に減少し、エネルギー吸収材料ではすぐに検出できなくなります。

図 1: GPR 信号は土壌や岩石中で指数関数的に減衰します。

指数関数的減衰係数 a は、主に材料の電流伝導能力によって決まります。単純な均一なマテリアルでは、通常、これが支配的な要因になります。したがって、電気伝導率（または抵抗率）の測定によって減衰が決まります。

ほとんどの材料では、材料の変動による散乱や存在する水によってもエネルギーが失われます。水には 2 つの効果があります。まず、水には体積導電率に寄与するイオンが含まれています。第二に、水分子は通常 1000 MHz 以上の高周波で電磁エネルギーを吸収します (電子レンジが動作する理由とまったく同じメカニズムです)。

図 2 に示すように、減衰は周波数とともに増加します。GPR サウンディングの影響を受けやすい環境では、通常、減衰対周波数の曲線に「GPR ウィンドウ」を定義するプラトーが存在します。

図 2: 減衰は励起周波数と材質によって異なります。この一連のグラフは、一般的な傾向を示しています。低周波数 (1000 MHz) では、水は強力なエネルギー吸収体になります。

浸透を改善するために頻度を減らすことはできますか?

減衰は主に周波数とともに増加するため、周波数を下げると探査深度が向上します。ただし、周波数が低下すると、GPR 測定の他の 2 つの基本的な側面が影響を及ぼします。

まず、周波数を下げると解像度が失われます。第 2 に、周波数が低すぎる場合、電磁場は波として伝わらず、拡散します。これは、誘導 EM または渦電流測定の領域です。

なぜ送信機の出力を増やすことができないのでしょうか?

送信機の出力を増やすことで、探査深度を増やすことができます。残念ながら、探査の深さを増すためには、電力を指数関数的に増加させる必要があります。

図 3: 減衰によって探査深さが制限される場合、出力は深さとともに指数関数的に増加する必要があります。

図 3 は、図 1 に示した減衰について、特定の深度まで探査するのに必要な相対電力を示しています。探査深度の増加には大きな電源が必要であることがすぐにわかります。

実際的な制約に加えて、政府は発生する可能性のある電波放射のレベルを規制します。 GPR 送信機の信号が大きくなりすぎると、他の機器、テレビ、ラジオ、携帯電話に干渉する可能性があります。 (残念ながら、これらのユビキタス デバイスは通常、GPR 受信機にとって制限的なノイズ源となります。)

探査深度を予測できますか?

はい、プローブされる材料が電気的に既知であれば、多くの数値計算プログラムが利用可能です。探査深度の推定値を取得する最も簡単な方法は、レーダー射程方程式 (RRE) 解析を使用することです。これらの計算を実行するソフトウェアが利用可能であり、この主題に関する多数の論文があります。基本概念を図 4 に示します。

図 4: フローチャート形式で示されているレーダー範囲は、エネルギー分布を決定し、探査深度を推定する手段を提供します。

RRE 分析は、パラメトリック研究や感度分析に非常に強力です。

レーダー範囲は複雑すぎます!

多くのユーザーは、RRE は日常的に使用するには複雑すぎると言っています。詳細な計算をしたくない場合は、次のより単純な経験則を使用して探査深度を見積もることをお勧めします。

D= 35/メートル

ここで、導電率は mS/m 単位です。 RRE ほど信頼性はありませんが、この便利なルールは多くの地質環境で非常に役立ちます。

さらに簡単なアプローチは、一般的な材料で達成される探査深度の表またはグラフを使用することです。 GPR で発生する一般的な材料のチャートの例を図 5 に示します。

図 5: 一般的な材料の探査深さのグラフ。これらのデータは「最良の場合」の観察に基づいています。図 9 が示すように、物質だけでは探査深度を正確に測ることはできません。

図 6、7、および 8 は、深い探査から浅い探査までの範囲の例を示しています。材料の種類を確認して探査深さを制御できます。残念ながら、調査地域の物質だけを知っていても探査を予測できるとは限りません。

図 9 は、地質は基本的に均一ですが、探査の深さが大きく異なるセクションを示しています。間隙水の導電率は変化しますが、地質物質は不変です。この場合、導電率を知ることで、材料を知るよりも探査深さを測る適切な尺度が得られます。

図 9: 砂のセッティングからの GPR セクション。探査の深さは、砂の材質ではなく、間隙水の導電率によって決まります。埋め立て地から浸出する汚染物質は、位置に応じて導電率 (および探査深さ) が変化します。