رادار نفوذی زمین (GPR) اصطلاح عمومی برای تکنیک‌هایی است که از امواج رادیویی، معمولاً در محدوده فرکانسی ۱ تا ۱۰۰۰ مگاهرتز، برای نقشه‌برداری از ساختارها و ویژگی‌های دفن شده در زمین (یا در سازه‌های ساخت بشر) استفاده می‌کنند. به طور تاریخی، GPR بیشتر برای نقشه‌برداری از ساختارهای زیرزمینی متمرکز بود؛ اخیراً از GPR برای تست غیرمخرب سازه‌های غیر فلزی استفاده شده است.

ایده استفاده از امواج رادیویی برای بررسی ساختار داخلی زمین جدید نیست. بدون شک، موفق‌ترین کارهای اولیه در این زمینه، استفاده از صداهای اکو رادیویی برای نقشه‌برداری از ضخامت یخچال‌های طبیعی در قطب شمال و جنوب و بررسی ضخامت یخچال‌ها بود. کار با GPR در محیط‌های غیر یخی از اوایل دهه ۱۹۷۰ آغاز شد و ابتدا بر کاربردهای خاک منجمد تمرکز داشت.

کاربردهای GPR تنها به تخیل و در دسترس بودن ابزارهای مناسب محدود می‌شوند. امروزه، GPR در زمینه‌های بسیاری از جمله مکان‌یابی تأسیسات دفن شده، ارزیابی سایت معدن، تحقیقات جنایی، کاوش‌های باستان‌شناسی، جستجوی مین‌های زمینی دفن شده و تسلیحات منفجر نشده، و اندازه‌گیری ضخامت و کیفیت برف و یخ برای مدیریت پیست اسکی و پیش‌بینی بهمن استفاده می‌شود.

چگونه کار می‌کند؟

GPR شبیه یک ماهی‌یاب و پژواک‌سنج است

چرا GPR دشوار است؟

چرا لوله شبیه لوله به نظر نمی‌رسد؟

عمق نفوذ برای رادار نفوذ به زمین چقدر است؟

«چقدر می‌توانید ببینید؟» متداول‌ترین سوالی است که از فروشندگان رادار نفوذ به زمین (GPR) پرسیده می‌شود. در حالی که فیزیک به خوبی شناخته شده است، اکثر افرادی که تازه با GPR آشنا می‌شوند، نمی‌دانند که محدودیت‌های فیزیکی اساسی وجود دارد.

بسیاری از افراد فکر می‌کنند که نفوذ GPR به تجهیزات محدود است. این تا حدی درست است، اما عمق اکتشاف عمدتاً توسط خود ماده تعیین می‌شود و هیچ گونه بهبود تجهیزات نمی‌تواند از محدودیت‌های فیزیکی اساسی عبور کند.

چه چیزی نفوذ را کنترل می‌کند؟

امواج رادیویی از طریق خاک‌ها، سنگ‌ها و بیشتر مواد ساخت بشر مانند بتن خیلی دور نفوذ نمی‌کنند. از دست دادن دریافت رادیو یا اتصال تلفن همراه هنگام رانندگی در یک تونل یا پارکینگ زیرزمینی این را تأیید می‌کند.

واقعیت این است که GPR اصلاً کار می‌کند به استفاده از سیستم‌های اندازه‌گیری بسیار حساس و شرایط تخصصی بستگی دارد. امواج رادیویی به صورت نمایی کاهش می‌یابند و به زودی در مواد جذب کننده انرژی غیر قابل تشخیص می‌شوند، همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است.

شکل ۱: سیگنال‌های GPR در خاک و سنگ به صورت نمایی کاهش می‌یابند.

ضریب کاهش نمایی، a، عمدتاً توسط توانایی ماده در هدایت جریان‌های الکتریکی تعیین می‌شود. در مواد یکنواخت ساده، این معمولاً عامل غالب است؛ بنابراین اندازه‌گیری رسانایی الکتریکی (یا مقاومت) کاهش را تعیین می‌کند.

در اکثر مواد، انرژی به دلیل پراکندگی از تغییرات ماده و حضور آب از بین می‌رود. آب دو اثر دارد؛ اول، آب حاوی یون‌هایی است که به رسانایی کلی کمک می‌کنند. دوم، مولکول آب انرژی الکترومغناطیسی را در فرکانس‌های بالا، معمولاً بالای ۱۰۰۰ مگاهرتز، جذب می‌کند (دقیقاً همان مکانیزمی که مایکروویوها را کارآمد می‌سازد).

کاهش با فرکانس افزایش می‌یابد، همان‌طور که در شکل ۲ نشان داده شده است. در محیط‌هایی که برای سنجش GPR مناسب هستند، معمولاً یک سطح ثابت در منحنی کاهش بر حسب فرکانس وجود دارد که "پنجره GPR" را تعریف می‌کند.

شکل ۲: کاهش با فرکانس تحریک و ماده متفاوت است. این مجموعه نمودارها روندهای کلی را نشان می‌دهد. در فرکانس‌های پایین (< ۱۰۰۰ مگاهرتز)، آب یک جذب‌کننده انرژی قوی است.

آیا می‌توانم فرکانس را برای بهبود نفوذ کاهش دهم؟

کاهش فرکانس عمق اکتشاف را بهبود می‌بخشد زیرا کاهش عمدتاً با فرکانس افزایش می‌یابد. اما با کاهش فرکانس، دو جنبه اساسی دیگر از اندازه‌گیری GPR مطرح می‌شود.

اول، کاهش فرکانس باعث از دست دادن وضوح می‌شود. دوم، اگر فرکانس بسیار کم باشد، میدان‌های الکترومغناطیسی دیگر به عنوان موج حرکت نمی‌کنند بلکه پراکنده می‌شوند که این حوزه اندازه‌گیری EM القایی یا جریان گردابی است.

چرا نمی‌توانم فقط توان فرستنده‌ام را افزایش دهم؟

می‌توان با افزایش توان فرستنده عمق اکتشاف را افزایش داد. متأسفانه، توان باید به صورت نمایی افزایش یابد تا عمق اکتشاف افزایش یابد.

شکل ۳: هنگامی که کاهش عمق اکتشاف را محدود می‌کند، توان باید به صورت نمایی با عمق افزایش یابد.

شکل ۳ توان نسبی لازم برای کاوش به یک عمق مشخص برای کاهش‌های نشان داده شده در شکل ۱ را نشان می‌دهد. به راحتی می‌توان دید که افزایش عمق اکتشاف نیاز به منابع توان بزرگی دارد.

علاوه بر محدودیت‌های عملی، دولت‌ها سطح انتشار رادیویی که می‌توان تولید کرد را تنظیم می‌کنند. اگر سیگنال‌های فرستنده GPR بسیار بزرگ شوند، ممکن است با ابزارهای دیگر، تلویزیون‌ها، رادیوها و تلفن‌های همراه تداخل داشته باشند. (متأسفانه، همین دستگاه‌های فراگیر معمولاً منابع محدودکننده نویز برای گیرنده‌های GPR هستند!)

آیا می‌توانم عمق اکتشاف را پیش‌بینی کنم؟

بله، مشروط بر اینکه ماده مورد کاوش از نظر الکتریکی شناخته شده باشد، برنامه‌های محاسبات عددی بسیاری در دسترس هستند. ساده‌ترین راه برای به دست آوردن تخمین عمق اکتشاف، استفاده از تحلیل معادله برد رادار (RRE) است. نرم‌افزاری برای انجام این محاسبات موجود است و مقالات زیادی در این زمینه وجود دارد. مفاهیم اساسی در شکل ۴ نشان داده شده‌اند.

شکل ۴: برد رادار، که در اینجا به صورت نمودار جریان نشان داده شده است، توزیع انرژی را تعیین می‌کند و وسیله‌ای برای تخمین عمق اکتشاف فراهم می‌آورد.

تحلیل RRE برای مطالعات پارامتریک و تحلیل حساسیت بسیار قدرتمند است.

برد رادار خیلی پیچیده است!

بسیاری از کاربران می‌گویند RRE برای استفاده معمولی بسیار پیچیده است. اگر تمایلی به انجام محاسبات دقیق ندارید، پیشنهاد می‌کنیم از قاعده ساده‌تری برای تخمین عمق اکتشاف استفاده کنید:

D = 35/σ متر، که در آن σ رسانایی بر حسب mS/m است. اگرچه به اندازه RRE قابل اعتماد نیست، این قاعده مفید در بسیاری از تنظیمات زمین‌شناسی بسیار کارآمد است.

رویکرد حتی ساده‌تر این است که از جدول یا نموداری از عمق‌های اکتشاف در مواد متداول استفاده شود. یک نمونه جدول برای مواد رایج در GPR در شکل ۵ نشان داده شده است.

شکل ۵: نمودار عمق‌های اکتشاف در مواد متداول. این داده‌ها بر اساس مشاهدات "بهترین حالت" است. همانطور که در شکل ۹ نشان داده شده است، ماده به تنهایی معیار واقعی عمق اکتشاف نیست.

اشکال ۶، ۷ و ۸ نمونه‌هایی را نشان می‌دهند که از اکتشاف عمیق تا کم‌عمق متغیر هستند. نوع ماده می‌تواند عمق اکتشاف را کنترل کند. متأسفانه، اکتشاف همیشه نمی‌تواند فقط با دانستن ماده در منطقه بررسی پیش‌بینی شود.

شکل ۶: داده‌ها از یک گرانیت عظیم – بازتاب‌ها ترک‌ها هستند. شکل ۷: داده‌هایی که لایه‌بندی در رسوبات ماسه مرطوب را نشان می‌دهند. شکل ۸: داده‌ها پاسخ بشکه‌ها در رس سیلتی و مرطوب را نشان می‌دهند.

شکل ۹ مقطعی را نشان می‌دهد که در آن زمین‌شناسی اساساً یکنواخت است اما عمق اکتشاف به شدت متغیر است. هدایت‌پذیری آب منفذی در حال تغییر است در حالی که ماده زمین‌شناسی ثابت است! در این مورد، دانستن هدایت‌پذیری معیار بهتری برای عمق اکتشاف است تا دانستن ماده.

شکل ۹: مقطع GPR از محیط ماسه‌ای. عمق اکتشاف توسط هدایت‌پذیری آب منفذی تعیین می‌شود – نه ماده ماسه‌ای. آلاینده‌هایی که از یک محل دفن زباله نفوذ می‌کنند باعث تغییر هدایت‌پذیری (و عمق اکتشاف) با موقعیت می‌شوند.

چگونه داده‌های GPR را بخوانیم؟

کاربردهای GPR چیست؟

کاربردهای GPR و فرکانس‌های مناسب

کاربرد	12.5 MHz	25 MHz	50 MHz	100 MHz	200 MHz	250 MHz	500 MHz	1000 MHz
زمین‌شناسی عمیق، یخچال‌شناسی	✓	✓	✓
زمین‌شناسی			✓	✓	✓
خدمات، ژئوتکنیک				✓	✓	✓
باستان‌شناسی					✓	✓	✓
جرم‌شناسی، برف و یخ					✓	✓	✓
معدن، سنگ‌بری								✓
بتن، جاده‌ها، پل‌ها								✓

سیستم‌ها و آنتن‌ها بر اساس کاربردها