Markpenetrerande radar

Ett markpenetrerande radargram samlat på en historisk kyrkogård i Alabama , USA . Hyperboliska ankomster (pilar) indikerar närvaron av diffraktorer begravda under ytan, möjligen förknippade med mänskliga begravningar. Reflektioner från jordskiktning förekommer också (streckade linjer).

Markpenetrerande radar ( GPR ) är en geofysisk metod som använder radarpulser för att avbilda underytan. Det är en icke-påträngande metod att undersöka underjorden för att undersöka underjordiska verktyg som betong, asfalt, metaller, rör, kablar eller murverk. Denna oförstörande metod använder elektromagnetisk strålning i mikrovågsbandet ( UHF / VHF -frekvenser) i radiospektrumet , och detekterar de reflekterade signalerna från underjordiska strukturer . GPR kan ha tillämpningar i en mängd olika medier, inklusive sten, jord, is, sötvatten, trottoarer och strukturer. Under rätt förhållanden kan utövare använda GPR för att upptäcka föremål under ytan, förändringar i materialegenskaper och tomrum och sprickor.

GPR använder högfrekventa (vanligtvis polariserade) radiovågor, vanligtvis i intervallet 10 MHz till 2,6 GHz. En GPR-sändare och antenn avger elektromagnetisk energi i marken. När energin möter ett nedgrävt föremål eller en gräns mellan material med olika permittiviteter kan den reflekteras eller bryts eller spridas tillbaka till ytan. En mottagande antenn kan då registrera variationerna i retursignalen. De involverade principerna liknar seismologi , förutom att GPR-metoder implementerar elektromagnetisk energi snarare än akustisk energi, och energi kan reflekteras vid gränser där elektriska egenskaper under ytan ändras snarare än mekaniska egenskaper under ytan, vilket är fallet med seismisk energi.

Den elektriska ledningsförmågan hos marken, den sända mittfrekvensen och den utstrålade effekten kan alla begränsa det effektiva djupområdet för GPR-undersökningar. Ökning av elektrisk ledningsförmåga dämpar den införda elektromagnetiska vågen, och därmed minskar penetrationsdjupet. På grund av frekvensberoende dämpningsmekanismer penetrerar inte högre frekvenser lika långt som lägre frekvenser. Men högre frekvenser kan ge förbättrad upplösning . Driftsfrekvens är alltså alltid en avvägning mellan upplösning och penetration. Optimalt inträngningsdjup under ytan uppnås i is där penetrationsdjupet kan uppnå flera tusen meter (till berggrunden på Grönland) vid låga GPR-frekvenser. Torr sandjord eller massiva torra material som granit , kalksten och betong tenderar att vara resistiva snarare än ledande, och penetrationsdjupet kan vara upp till 15 meter (49 fot). Men i fuktig eller lerladdad jord och material med hög elektrisk ledningsförmåga kan penetrationen vara så liten som några centimeter.

Markpenetrerande radarantenner är i allmänhet i kontakt med marken för den starkaste signalstyrkan; GPR-antenner kan dock användas ovanför marken.

Tvärborrhål GPR har utvecklats inom området hydrogeofysik för att vara ett värdefullt sätt att bedöma förekomst och mängd markvatten .

Historia

Det första patentet för ett system utformat för att använda radar med kontinuerliga vågor för att lokalisera nedgrävda föremål lämnades in av Gotthelf Leimbach och Heinrich Löwy 1910, sex år efter det första patentet för själva radarn (patent DE 237 944). Ett patent på ett system som använder radarpulser snarare än en kontinuerlig våg lämnades in 1926 av Dr. Hülsenbeck (DE 489 434), vilket ledde till förbättrad djupupplösning. En glaciärs djup mättes med markpenetrerande radar 1929 av W. Stern.

Den fortsatta utvecklingen på området förblev sparsam fram till 1970-talet, då militära tillämpningar började driva forskningen. Kommersiella applikationer följde och den första prisvärda konsumentutrustningen såldes 1975.

1972 bar Apollo 17-uppdraget en markpenetrerande radar kallad ALSE (Apollo Lunar Sounder Experiment) i omloppsbana runt månen. Den kunde registrera djupinformation upp till 1,3 km och spelade in resultaten på film på grund av bristen på lämplig datorlagring vid den tiden.

Ansökningar

Markpenetrerande radar i bruk nära Stillwater, Oklahoma, USA 2010
Markpenetrerande radarundersökning av en arkeologisk plats i Jordanien

GPR har många tillämpningar inom ett antal områden. Inom geovetenskapen används det för att studera berggrund , jordar, grundvatten och is . Det är till viss nytta vid prospektering efter guldklimpar och för diamanter i alluviala grusbäddar, genom att hitta naturliga fällor i nedgrävda bäckbäddar som har potential att ackumulera tyngre partiklar. Den kinesiska månrovern Yutu har en GPR på undersidan för att undersöka månens jord och jordskorpa.

Tekniska tillämpningar inkluderar oförstörande testning (NDT) av strukturer och trottoarer, lokalisering av nedgrävda strukturer och verktygsledningar och studier av jord och berggrund. Inom miljösanering används GPR för att definiera deponier, förorenande plymer och andra saneringsplatser, medan det inom arkeologin används för att kartlägga arkeologiska särdrag och kyrkogårdar. GPR används inom brottsbekämpning för att lokalisera hemliga gravar och begravda bevis. Militär användning inkluderar upptäckt av minor, oexploderad ammunition och tunnlar.

Borrhålsradar som använder GPR används för att kartlägga strukturerna från ett borrhål i underjordiska gruvtillämpningar. Moderna riktade borrhålsradarsystem kan producera tredimensionella bilder från mätningar i ett enda borrhål.

En av de andra huvudapplikationerna för markpenetrerande radar är för lokalisering av underjordiska verktyg. Standardverktyg för lokalisering av elektromagnetiska induktionsverktyg kräver att verktyg är ledande. Dessa verktyg är ineffektiva för att lokalisera plaströr eller betongstorm och sanitära avlopp. Eftersom GPR upptäcker variationer i dielektriska egenskaper i underytan, kan det vara mycket effektivt för att lokalisera icke-ledande verktyg.

GPR användes ofta i TV-programmet Time Team på Channel 4 som använde tekniken för att bestämma ett lämpligt område för undersökning med hjälp av utgrävningar. GPR användes också för att få tillbaka £150 000 i kontant lösen som Michael Sams hade begravt på en åker, efter hans kidnappning av en fastighetsmäklare 1992.

Militär

Militära tillämpningar av markpenetrerande radar inkluderar upptäckt av oexploderad ammunition och detektering av tunnlar. I militära tillämpningar och andra vanliga GPR-tillämpningar använder utövare ofta GPR i kombination med andra tillgängliga geofysiska tekniker såsom elektrisk resistivitet och elektromagnetiska induktionsmetoder .

I maj 2020 beställde den amerikanska militären markpenetrerande radarsystem från Chemring Sensors and Electronics Systems (CSES), för att upptäcka improviserade explosiva anordningar (IED) begravda på vägar, i en affär på 200,2 miljoner dollar.

Lokalisering av fordon

En ny metod för lokalisering av fordon med användning av tidigare kartbaserade bilder från markpenetrerande radar har demonstrerats. Benämnt "Localizing Ground Penetrating Radar" (LGPR), har centimeternivånoggrannheter vid hastigheter upp till 100 km/h (60 mph) demonstrerats. Closed-loop-drift demonstrerades första gången 2012 för autonom fordonsstyrning och sattes in för militär operation 2013. Motorvägshastighet centimeter-nivå lokalisering under en nattlig snöstorm demonstrerades 2016. Denna teknik var exklusivt licensierad och kommersialiserad för fordonssäkerhet i ADAS och Autonomous Vehicle positioning and lane-keeping system av GPR Inc. och marknadsförs som Ground Positioning Radar(tm).

Arkeologi

Markpenetrerande radarundersökning är en metod som används inom arkeologisk geofysik . GPR kan användas för att upptäcka och kartlägga underjordiska arkeologiska artefakter , funktioner och mönster.

GPR-djupskivor som visar en krypta på en historisk kyrkogård. Dessa planvy kartor visar underjordiska strukturer på olika djup. Sextio rader med data – individuellt representerande vertikala profiler – samlades in och sattes ihop som en 3-dimensionell datamatris som kan "skivas" horisontellt på olika djup.)
GPR-djupsektion (profil) som visar en enda rad med data från undersökningen av den historiska kryptan som visas ovan. Kryptans kupolformade tak kan ses mellan 1 och 2,5 meter under ytan.

Begreppet radar är bekant för de flesta. Med markpenetrerande radar riktas radarsignalen – en elektromagnetisk puls – ner i marken. Objekt under ytan och stratigrafi (skiktning) kommer att orsaka reflektioner som fångas upp av en mottagare. Den reflekterade signalens gångtid anger djupet. Data kan plottas som profiler, som planvykartor som isolerar specifika djup, eller som tredimensionella modeller.

GPR kan vara ett kraftfullt verktyg under gynnsamma förhållanden (jämna sandjordar är idealiska). Liksom andra geofysiska metoder som används inom arkeologi (och till skillnad från utgrävning) kan den lokalisera artefakter och kartlägga funktioner utan risk för att skada dem. Bland metoder som används inom arkeologisk geofysik är den unik både i sin förmåga att upptäcka några små föremål på relativt stora djup, och i sin förmåga att urskilja djupet av anomalikällor.

Den främsta nackdelen med GPR är att den är starkt begränsad av mindre än idealiska miljöförhållanden. Finkorniga sediment (leror och silt) är ofta problematiska eftersom deras höga elektriska ledningsförmåga orsakar förlust av signalstyrka; steniga eller heterogena sediment sprider GPR-signalen, vilket försvagar den användbara signalen samtidigt som främmande brus ökar.

Inom kulturarvet används GPR med högfrekvent antenn också för att undersöka historiska murverkskonstruktioner, detektera sprickor och sönderfallsmönster i pelare och lösgörande av fresker.

Begravningsplatser

GPR används av kriminologer, historiker och arkeologer för att söka på gravplatser. I sin publikation, Interpreting Ground-penetrating Radar for Archaeology, beskrev Lawrence Conyers, som är "en av de första arkeologiska specialisterna inom GPR" processen. Conyers publicerade forskning med GPR i El Salvador 1996, i Four Corners-regionen Chaco-perioden i södra Arizona 1997 och på en medeltida plats i Irland 2018. Informerad av Conyers forskning, Institute of Prairie and Indigenous Archaeology vid University of Alberta , i samarbete med National Center for Truth and Reconciliation , har använt GPR i sin undersökning av Indian Residential Schools i Kanada . I juni 2021 hade institutet använt GPR för att lokalisera misstänkta omärkta gravar i områden nära historiska kyrkogårdar och indiska bostadsskolor. Den 27 maj 2021 rapporterades det att kvarlevorna av 215 barn hittades med hjälp av GPR på en gravplats vid Kamloops Indian Residential School på Tk'emlúps te Secwépemc First Nations mark i British Columbia. I juni 2021 användes GPR-teknik av Cowessess First Nation i Saskatchewan för att lokalisera 751 omärkta gravplatser på området Marieval Indian Residential School, som hade varit i drift i ett sekel tills den lades ner 1996.

Framsteg inom GPR-teknik integrerad med olika 3D-programvarumodelleringsplattformar genererar tredimensionella rekonstruktioner av underjordiska "former och deras rumsliga relationer". År 2021 har detta "dykt upp som den nya standarden".

Tredimensionell bildbehandling

Enskilda rader med GPR-data representerar en sektionsvy (profil) av underytan. Flera rader av data som systematiskt samlas in över ett område kan användas för att konstruera tredimensionella eller tomografiska bilder. Data kan presenteras som tredimensionella block, eller som horisontella eller vertikala skivor. Horisontella skivor (kända som "djupskivor" eller "tidsskivor") är i huvudsak planvykartor som isolerar specifika djup. Tidsdelning har blivit standardpraxis i arkeologiska tillämpningar , eftersom horisontell mönstring ofta är den viktigaste indikatorn på kulturella aktiviteter.

Begränsningar

Den mest betydande prestandabegränsningen för GPR är i material med hög ledningsförmåga som lerjordar och jordar som är saltförorenade. Prestanda begränsas också av signalspridning under heterogena förhållanden (t.ex. steniga jordar).

Andra nackdelar med för närvarande tillgängliga GPR-system inkluderar:

  • Tolkning av radargram är i allmänhet icke-intuitiv för nybörjaren.
  • Betydande expertis är nödvändig för att effektivt utforma, genomföra och tolka GPR-undersökningar.
  • Relativt hög energiförbrukning kan vara problematiskt för omfattande fältundersökningar.

Radarn är känslig för förändringar i materialsammansättningen, för att upptäcka förändringar krävs rörelse. När man tittar igenom stationära föremål med hjälp av ytpenetrerande eller markpenetrerande radar, behöver utrustningen flyttas för att radarn ska undersöka det angivna området genom att leta efter skillnader i materialsammansättning. Även om den kan identifiera föremål som rör, tomrum och jord, kan den inte identifiera de specifika materialen, som guld och ädelstenar. Det kan dock vara användbart för att tillhandahålla kartläggning under ytan av potentiella ädelstensbärande fickor, eller "vugs". Avläsningarna kan förväxlas av fukt i marken, och de kan inte separera ädelstensbärande fickor från de icke ädelstensbärande.

Vid bestämning av djupkapacitet dikterar antennens frekvensområde storleken på antennen och djupkapaciteten. Rutnätsavståndet som skannas baseras på storleken på målen som behöver identifieras och de resultat som krävs. Typiska rutnätsavstånd kan vara 1 meter, 3 fot, 5 fot, 10 fot, 20 fot för markundersökningar och för väggar och golv 1 tum–1 fot.

Hastigheten med vilken en radarsignal färdas beror på sammansättningen av det material som penetreras. Djupet till ett mål bestäms utifrån hur lång tid det tar för radarsignalen att reflektera tillbaka till enhetens antenn. Radarsignaler färdas med olika hastigheter genom olika typer av material. Det är möjligt att använda djupet till ett känt objekt för att bestämma en specifik hastighet och sedan kalibrera djupberäkningarna.

Effektreglering

2005 införde European Telecommunications Standards Institute lagstiftning för att reglera GPR-utrustning och GPR-operatörer för att kontrollera överskottsutsläpp av elektromagnetisk strålning. European GPR Association (EuroGPR) bildades som en branschorganisation för att representera och skydda den legitima användningen av GPR i Europa.

Liknande tekniker

Markpenetrerande radar använder en mängd olika tekniker för att generera radarsignalen: dessa är impuls, stegfrekvens, frekvensmodulerad kontinuerlig våg ( FMCW ) och brus. System på marknaden 2009 använder också digital signalbehandling (DSP) för att behandla data under undersökningsarbete snarare än offline.

En speciell typ av GPR använder omodulerade kontinuerliga vågsignaler. Denna holografiska underjordiska radar skiljer sig från andra GPR-typer genom att den registrerar underjordiska hologram i planvy. Djupetträngningen av denna typ av radar är ganska liten (20–30 cm), men den laterala upplösningen är tillräcklig för att urskilja olika typer av landminor i marken, eller hålrum, defekter, avlyssningsanordningar eller andra dolda föremål i väggar, golv och strukturella element.

GPR används på fordon för nära-in höghastighetsvägundersökning och landmindetektering samt i stand-off-läge. [ definition behövs ]

In Pipe-Penetrating Radar (IPPR) och In Sewer GPR (ISGPR) är tillämpningar av GPR-teknologier som används i icke-metalliska rör där signalerna riktas genom rör- och ledningsväggar för att detektera rörväggtjocklek och hålrum bakom rörväggarna.

Vägggenomträngande radar kan läsa igenom icke-metalliska strukturer som demonstrerades för första gången av ASIO och australiensiska polisen 1984 när de granskade en före detta rysk ambassad i Canberra . Polisen visade hur man tittade på människor upp till två rum bort i sidled och genom golv vertikalt, kunde se metallklumpar som kan vara vapen; GPR kan till och med fungera som en rörelsesensor för militära vakter och poliser.

SewerVUE Technology, ett avancerat företag för bedömning av rörtillstånd använder Pipe Penetrating Radar (PPR) som en GPR-applikation i rör för att se kvarvarande väggtjocklek, armeringsjärnsskydd, delaminering och detektera närvaron av hålrum som utvecklas utanför röret.

EU Detect Force Technology, ett avancerat markforskningsföretag, använder X6 Plus Grounding Radar (XGR) som en hybrid GPR-applikation för militär mindetektering och även polisbombdetektering.

"Mineseeker Project" syftar till att designa ett system för att avgöra om landminor finns i områden som använder ultrabredbandiga syntetiska aperture-radarenheter monterade på luftskenor .

  • Jaufer, Rakeeb M., Amine Ihamouten, Yann Goyat, Shreedhar S. Todkar, David Guilbert, Ali Assaf och Xavier Dérobert. 2022. "En preliminär numerisk studie för att jämföra den fysiska metoden och maskininlärningsmetoder som tillämpas på GPR-data för karakterisering av underjordiska verktygsnätverk" Remote Sensing 14, nr. 4: 1047. https://doi.org/10.3390/rs14041047

Vidare läsning

En översikt över vetenskapliga och tekniska tillämpningar finns i:

  • Jol, HM, red. (2008). Teori och tillämpningar för markpenetrerande radar . Elsevier.
  • Persico, Raffaele (2014). Introduktion till markpenetrerande radar: omvänd spridning och databehandling . John Wiley & Sons.

En allmän översikt över geofysiska metoder inom arkeologi finns i följande verk:

  • Clark, Anthony J. (1996). Att se under jorden. Prospekteringsmetoder i arkeologi . London, Storbritannien: BT Batsford Ltd.
  •    Conyers, Lawrence B; Goodman, Dean (1997). Markpenetrerande radar: en introduktion för arkeologer . Walnut Creek, CA: AltaMira Press. ISBN 978-0-7619-8927-1 . OCLC 36817059 .
  • Gaffney, Chris; John Gater (2003). Revealing the Buried Past: Geofysik för arkeologer . Stroud, Storbritannien: Tempus.

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ground-penetrating_radar&oldid=1141199596 "