地中レーダー（GPR）は、地中（または人工構造物内）に埋もれた構造物や特徴をマッピングするために、通常1〜1000 MHzの周波数帯域を持つ電波を使用する技術に対して一般的に使われる用語です。歴史的には、GPRは主に地下の構造物をマッピングすることに焦点を当てていましたが、最近では非金属構造物の非破壊検査にも使用されています。

地下構造を探るために電波を使用するという概念は新しいものではありません。この分野で最も成功した初期の作業は、極地や氷河の厚さをマッピングするためにラジオエコーサウンダーを使用したことでした。GPRの非氷環境での使用は1970年代初頭に始まり、初期の作業は永久凍土の土壌での応用に焦点を当てていました。

GPRの応用は、想像力と適切な機器の利用可能性にのみ制限されます。現在では、埋設されたインフラの位置特定、鉱山評価、法医学調査、考古学的発掘、埋設された地雷や未爆弾の探索、雪や氷の厚さと質の測定など、多くの分野でGPRが使用されています。これらはスキー場の管理や雪崩予測に役立っています。

どうやって機能するのか？

GPRは魚群探知機とエコーサウンダーと同じようなものです

GPRの難しさは何ですか？

なぜパイプはパイプのように見えないのか？

地中探査レーダーの貫通深度はどのくらいですか？

「どのくらい深く見えるのか？」は、地中探査レーダー（GPR）のベンダーに最もよく聞かれる質問です。物理学は良く知られていますが、GPRを初めて使用する人々は、基本的な物理的限界があることに気づいていません。

多くの人々はGPRの貫通深度が機器によって制限されていると思っています。ある程度はその通りですが、探査の深さは主に材料自体によって決まり、機器の改善では基本的な物理的限界を克服できません。

貫通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物を通過しません。車でトンネルを通過したり地下駐車場に入ったりしたときに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が機能するのは非常に敏感な測定システムと特別な状況が使用されているおかげです。電波は指数関数的に減少し、エネルギーを吸収する材料ではすぐに検出できなくなります（図1参照）。

図1：GPR信号は土壌と岩石で指数関数的に減衰します。

指数関数的減衰係数aは、主に材料が電流を伝導する能力によって決まります。均一な材料では通常これが支配的な要因であり、したがって電気伝導度（または抵抗率）の測定が減衰を決定します。

ほとんどの材料では、エネルギーは材料の変動による散乱と水の存在によっても失われます。水には二つの効果があります。第一に、水はイオンを含んでおり、これが体積伝導性に寄与します。第二に、水分子は通常1000 MHz以上の高周波数で電磁エネルギーを吸収します（これは電子レンジが動作する理由と同じメカニズムです）。

減衰は周波数とともに増加し、図2に示されている通りです。GPR音波が有効な環境では、通常、減衰と周波数の曲線にプラトー（定常域）があり、これが「GPRウィンドウ」を定義します。

図2：減衰は励起周波数と材料によって異なります。このグラフ群は一般的な傾向を示しています。低周波数（<1000 MHz）では水が強いエネルギー吸収体です。

貫通深度を改善するために周波数を下げることはできますか？

周波数を下げることで探査深度が向上しますが、これは主に減衰が周波数とともに増加するためです。ただし、周波数を下げると、GPR測定の二つの基本的な側面が影響を受けます。

第一に、周波数を下げると解像度が低下します。第二に、周波数が低すぎると、電磁場は波として伝播せず、拡散するようになり、これは誘導型EMまたは渦電流測定の領域です。

送信機の出力を上げればいいのではないですか？

送信機の出力を上げることで探査深度を増加させることは可能です。残念ながら、深度を増加させるためには出力を指数関数的に増加させる必要があります。

図3：減衰が探査深度を制限する場合、出力は深度とともに指数関数的に増加しなければなりません。

図3は、図1に示された減衰に対して、与えられた深度まで探査するために必要な相対的な出力を示しています。探査深度を増加させるには、大きな電源が必要であることがわかります。

実際的な制約に加えて、政府は生成可能なラジオ放射線レベルを規制しています。もしGPR送信機の信号が強すぎると、他の機器やテレビ、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、これらの普及しているデバイスは通常GPR受信機にとってノイズ源となる制限要因です！）

探査深度を予測できますか？

はい、もし調査対象の材料が電気的に知られていれば、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得る最も簡単な方法は、レーダー範囲方程式（RRE）分析を使用することです。これらの計算を実行するためのソフトウェアがあり、この分野には多数の論文があります。基本的な概念は図4に示されています。

図4：ここにフローチャート形式で示されたレーダー範囲は、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有用です。

レーダー範囲は複雑すぎます！

多くのユーザーは、RREが日常的に使用するには複雑すぎると言います。詳細な計算に入りたくない場合は、探査深度を推定するための以下の簡単な目安を使用することをお勧めします。

D = 35/σ メートル、ここでσはmS/mでの導電率です。RREほど信頼性はありませんが、この有用な目安は多くの地質環境で非常に役立ちます。

さらに簡単な方法は、一般的な材料で達成された探査深度の表またはチャートを使用することです。GPRでよく出会う一般的な材料のための例のチャートは図5に示されています。

図5：一般的な材料における探査深度のチャート。これらのデータは「最良のケース」に基づいた観察結果です。図9が示すように、材料だけでは探査深度を正確に測定することはできません。

図6、7、8は、深い探査から浅い探査に至るまでの例を示しています。材料の種類が探査深度に影響を与えることがわかります。残念ながら、探査深度は調査エリア内の材料だけでは常に予測できません。

図6：巨大な花崗岩からのデータ—反射は亀裂です。 図7：湿った砂堆積物における層理を示すデータ。 図8：湿ったシルト状の粘土中の樽の反応を示すデータ。

図9は、地質が基本的に均一であるにもかかわらず、探査深度が非常に変動するセクションを示しています。ポア水の導電率が変動している一方で、地質材料は変化しません！この場合、材料を知るよりも導電率を知ることが探査深度をより良く測る手段となります。

図9：砂地の設定からのGPRセクション。探査深度は材料でなく、ポア水の導電率によって決まります。埋立地から浸出する汚染物質が導電率（および探査深度）を位置によって変化させます。

GPRデータの読み方

GPRの用途は何ですか？

GPRの用途と適切な周波数

用途	12.5 MHz	25 MHz	50 MHz	100 MHz	200 MHz	250 MHz	500 MHz	1000 MHz
深地質学、氷河学	✓	✓	✓
地質学			✓	✓	✓
公共事業、土木工学				✓	✓	✓
考古学					✓	✓	✓
法医学、雪・氷					✓	✓	✓
鉱業、採石								✓
コンクリート、道路、橋								✓

用途別システムとアンテナ