Georadar

Georadar on geofüüsikas kasutatav aparatuur, kus raadiolainete impulsside abil kuvatakse pilt pinnase siseehitusest. See meetod on leidnud kasutust mitmetes valdkondades, arheoloogiast ehituseni, kuid suurimat kasutust on see leidnud pinnase siseehituse, reostuse leviku ning maa-aluste objektide tuvastamises ja uuringutes.

Esimesed georadarid võeti kasutusele 1950. aastatel, kuid süsteemi vähese suutlikkuse tõttu ei leidnud meetod kohe laialdast kasutuspinda. 1970. aastatel olukord muutus elektroonika ja arvutite kiire arengu tõttu. Viimase 15 aasta jooksul on georadarite tehnoloogia teinud suure sammu edasi. Kuigi radariantennide tehnoloogia on jäänud samaks, on edasi arenenud registreerimis- ja salvestustehnika ning täienenud on ka andmetöötlustarkvara. Tänu sellele on ka georadari kasutusvaldkond tunduvalt laienenud. Georadari eeliseks saab nimetada, et see uuringumeetod ei kahjusta mingil moel maapinda.

Väliuuringud georadariga

Kasutusvaldkonnad

Georadar kui kõrgtehnoloogiline ja pinnast mittekahjustav pinnase siseehitust kuvav aparaat suudab näha läbi pinnase, betooni, asfaldi, kivi, puu, jää ja isegi läbi vee. Võrreldes teiste meetoditega on georadari kasutamine odav ja lubab kiireid tulemusi. Georadar sobib objektide kuju, suuruse, ulatuse ja sügavuse määramiseks. Näiteks saab selle abil leida maa-aluseid torusid, vundamente, tühimikke, kaevikuid, geoloogilisi kihindeid, maa-aluseid tugevdusi ja kõike muud, mis eristub ümbritsevast keskkonnast. Georadar töötab kõige paremini kuivas keskkonnas, kuid seda saab kasutada ka märgade ja niiskunud materjalide korral. Probleeme valmistavad soolased tingimused ja tihedad savid, mis suure elektrijuhtivusega summutavad pinnasest läbi tungivad lained.

Georadarit kasutatakse:

• ehitusinseneerias
• geoloogias
• geotehnikas
• kohtuekspertiisis
• keskkonnateaduses
• hüdroloogias
• arheoloogias

Lisaks kasutatakse seda ka maanteede olukorra hindamisel .

Tööpõhimõte

Erinevate sagedusaladega georadari antennid

Lihtsustatult öeldes koosneb georadar kahest antennist, millest üks antenn on elektromagnetlainete saatjaks ja teine antenn lainete vastuvõtjaks. Georadarite emiteeritavate elektromagnetlainete sagedus jääb maapõue süvauuringute puhul mõnekümne MHz juurde ning maapinnalähedaste kihtide ja objektide uuringu puhul mõne GHz juurde (kasutatavad sagedused on 50–1500 MHz). Keskkonda saadetud elektromagnetlained peegelduvad pinnases leiduvatelt heterogeensustelt (erinevate dielektriliste omadustega kehadelt, suurematelt kividelt ja kihtide katkestuspindadelt) ning maapinnale saabununa registreeritakse vastuvõtuantenniga. Registreeritud peegeldunud lained kannavadki informatsiooni keskkonna siseehituse kohta. Kui georadarist välja saadetud elektromagnetlaine jõuab keskkonnas oleva heterogeensuseni, saadetakse osa energiast peegeldunud laine kujul maapinnale tagasi, osa energiast kandub läbi keskkonna ja osa energiast saadetakse sõltuvalt pinna siledusest keskkonnas eri suundadesse ehk toimub energia hajumine. Signaali amplituud väheneb keskkonnas peegeldudes sõltuvalt keskkonna dielektrilistest omadustest, keskkonna paksusest ja elektrijuhtivusest. Kihi või objekti paksuse vähenedes väheneb ka peegeldunud laine amplituud. Laine amplituudi vähenemine sõltub lisaks kihi paksusele ka lainepikkusest ja keskkonna dielektrilistest omadustest. Peegeldunud laine amplituudi saab iseloomustada peegeldusteguri ja selle absoluutväärtuse ruudu abil (|$R^{2}$ |).

Georadari sügavusprofiil. Pildil on hästi nähtavad peegeldused pinnase eri kihtidelt ja objektidelt. Objekte iseloomustavad koonilised peegeldused

Peegeldunud laine amplituud sõltub olulisel määral keskkondade magnetilistest ja dielektrilistest omadustest, mis kontrollivad keskkonna elektromagnetilist takistust. Elektromagnetilist takistust mõõdetakse valemiga:

$Z={\frac {E}{H}}={\frac {\mu }{\varepsilon }}$ ,

kus Z = elektromagnetiline takistus (V/A), E = elektrivälja tugevus (V/m), H = magnetvälja tugevus (A/m), µ = magnetiline läbitavus (H/m) ja ε = dielektriline läbitavus (F/m). Peegeldustegur (R) ja peegeldunud laine amplituud sõltuvad omakorda keskkondade elektromagnetiliste omaduste erinevustest keskkondade piirpinnal. Peegeldustegurit arvutatakse valemiga:

$R={\frac {{\sqrt {Z_{1}}}-{\sqrt {Z_{2}}}}{{\sqrt {Z_{1}}}+{\sqrt {Z_{2}}}}}$,

kus $Z_{1}$ ja $Z_{2}$ on vastavalt esimese ja teise keskkonna elektromagnetilised takistused. Nende valemite baasil on peegeldunud laine amplituud otseselt seotud keskkonna dielektriliste omaduste muutumisega. Mida järsem on üleminek erinevate dielektriliste omadustega keskkondade vahel, seda tugevam on peegeldunud signaal. Georadari peegeldused kuvatakse sirgjoone peale, mis ristub saate- ja vastuvõtuantenni vahelise mõttelise joone keskpunktiga. Tegelikult on lainete levik kooniline, mistõttu levivad lained mitte ainult otse alla, vaid ka külgsuundadesse. Seetõttu kuvatakse radaripildile ka pinnases mõõtekohaga külgnevad objektid. Sellest tingituna tekivad radargrammile ka hüperboolsed kujutised juhul kui mõõtmiste käigus liigutakse üle punktobjektide (suuremad kivid, avaused kihis jne).

Töörežiimid

Antennide paigutusest sõltuvalt võib töörežiimid jagada kolmeks:

1. tasakaalustatud meetod – mõõtmised, mille puhul antennide vahekaugust ei muudeta;
2. ühise keskpunkti meetod – lainurksed mõõtmised, mille puhul saatjat ei liigutata;
3. radartomograafia – meetod, mille korral saatjat ja vastuvõtjat liigutatakse puuraukudes.

Praktikas kasutatakse sagedamini tasakaalustatud meetodit, mille puhul liigutatakse fikseeritud vahega paikneva süsteemiga mööda maapinda ja registreeritakse maa sees asuvatelt objektidelt tulevad peegeldused teekonna-aja-graafikuna. Sealt edasi, teades elektromagnetlainete liikumise kiirust, saab ajaskaala teisendada sügavusskaalaks. Liikudes üle uuritava piirkonna, saab selle meetodi abil kuvada kahemõõtmelise pildi sügavusskaalal. Liikudes uuritavast piirkonnast üle mitu korda nii, et teekonnad ristuvad, on selle meetodi abil võimalik luua kolmemõõtmeline kaart uuritavast kohast.

Ühise keskpunkti meetodi ehk lainurksete mõõtmiste meetodi korral liigutatakse võrdsete vahedega vastuvõtja antenni ja saatja antenni ühe kindla punkti ümber. Selle meetodi puhul saab täpselt hinnata radari signaali kiiruse jaotuse muutust sügavusega.

Radartomograafia meetodi puhul paigutatakse saatja ja vastuvõtja paralleelsetesse puuraukudesse, huvipakkuva objekti vastaskülgedele. See meetod võimaldab kergelt ja kiirelt tuvastada anomaaliaid uuritava keha siseehituses.

Pinnase füüsikalised omadused

Nagu öeldud, mõjutavad elektromagnetlainete levikut, sumbumist ja peegeldumist keskkonna füüsikalised omadused ja kasutatav elektromagnetlainete sagedus. Pinnase füüsikalisteks omadusteks on dielektriline läbitavus, elektrijuhtivus ja magnetiline vastuvõtlikkus.

Dielektriline läbitavus

Dielektriline läbitavus kirjeldab materjali võimet talletada ja vabastada elektromagnetilist energiat elektrilaenguna. Harilikult käsitletakse keha kondensaatorina. Dielektriline läbitavus mõjutab elektromagnetlaine levikut kiiruse, sisemise takistuse ja peegeldusega. Looduslikes muldades on tihti dielektriline läbitavus suurim füüsikaline mõjutaja, olles suurem elektrijuhtivuse ja magnetilise vastuvõtlikkuse teguritest. Dielektrilist läbitavust väljendatakse keskkonna absoluutse läbitavuse ja vaakumi läbitavuse suhtena:

$\varepsilon ={\frac {\varepsilon _{1}}{\varepsilon _{0}}}$ ,

kus ε = dielektriline läbitavus, $\varepsilon _{1}$ = keskkonna absoluutne läbitavus (F/m) ja $\varepsilon _{0}$ = läbitavus vaakumis (8,854*10⁻¹² F/m). Mida suurem on dielektriline läbitavus, seda väiksem on elektromagnetlaine kiirus (v) antud pinnases. Elektromagnetlainete kiirus leitakse valemiga:

$v={\frac {c}{\sqrt {\varepsilon }}}$,

kus c = valguse kiirus vaakumis (0,3 m/ns). See valem on lihtsustus, eeldusega et keskkonna magnetiline läbitavus on ligikaudu võrdne ühega.

Elektrijuhtivus

Elektrijuhtivus kirjeldab materjali võimet juhtida elektrivoolu. Elektrijuhtivuse esmane mõju on aine läbimisel tekkiv energia kadu. Samuti väljendab see keskkonnas talletunud energiat, mis on palju väiksem kui tekkiv energia kadu. Heades elektrijuhtides elektromagnetiline energia hajub soojusena ja seega elektromagnetlained ei suuda selles hästi levida, vähendades georadari võimet sellest materjalist läbi näha. Näiteks saab tuua suure soolasisalduse või suure savisisaldusega kihindid. Lisaks mõjutab sumbumist kasutatav elektromagnetlaine sagedus ja vee sisaldus.

Magnetiline vastuvõtlikkus

Magnetilist vastuvõtlikkust mõjutab eelkõige magnetiseeruvate mineraalide olemasolu keskkonnas. Selle abil saab ligikaudselt hinnata elektromagnetlainete sumbuvuse suurusjärku. Magnetilise vastuvõtlikkuse suurenedes suureneb magnetiline läbitavus ja sellega omakorda suureneb elektromagnetlainete sumbuvus, mida leitakse valemiga:

$k={\frac {\mu }{\mu _{0}}}$,

kus k tähistab magnetilist tundlikkust, μ tähistab magnetilist läbitavust ja $\mu _{0}$ tähistab magnetilist konstanti. Et magnetiline vastuvõtlikkus oleks sama tugev määraja kui on pinnase dielektriline läbitavus, peab selle väärtus olema suurem kui 30 000 *10⁻⁵ SI ühikut. Üldjuhul on magnetiline vastuvõtlikkus looduslikes pinnastes väike ega mõjuta eriti georadari tööd. Harilikult georadari tööde puhul oletatakse, et µ = $\mu _{0}$. Erandiks on mõned troopilised mullad, mis on üpris haruldased.

Välislingid

• K. Takahashi et al 2012, "Basics and Application of Ground-Penetrating Radar as a Tool for Monitoring Irrigation Process", InTech
• Euroopa Georadari Assotsiatsioon