Dokument

Tekniskt bibliotek >> Handledning >> Grundläggande GPR handledning med GPRSim.net

G.P.R grunder med GPRSim.net

Vad är GPR?

GPR står för Ground Penetrating Radar, men kallas även för georadar och är en teknik för att sondera marken. Precis som alla andra radarenheter fungerar den genom att sända en elektromagnetisk våg ner i marken och registrera de reflekterande signalerna. Dessa reflekterande signaler innehåller information om de material, eller för att vara exakt de förändringar i material eller parametrar som finns i marken på olika djup.

Det är endast lämpligt att använda GPR om det finns stora skillnader i egenskaperna för de material som övervakas. Om skillnaderna i materialen är små eller att förändringarna sker gradvis, blir de reflekterande signalerna svåra att tolka och i många fall helt omöjliga. [exempel]

GPR är väl lämpad för geofysiska tillämpningar, arkeologiska undersökningar och civila tekniska tillämpningar och att hitta dolda föremål i marken.

Visas objekt som på en röntgenbild?

En vanlig missuppfattning, främst spridd av Hollywoods kriminalserier och liknande, är att bilden som visas på displayen från en GPR-enhet presenteras som objekt på en röntgenbild. Det är inte fallet, det viktigaste arbetsverktyget för GPR operatörerna är en B-Scan som är ingenting annat än en samling av radarspår efter varandra i en 2D-plot. (Bilden till höger visar en B-Scan av en undersökning)

Om bilden är så otydliga, varför används ändå GPR?

Fördelarna med att använda GPR är många, först och främst är det ett relativt billigt sätt att kartlägga stora områden utan att förstöra eller förvanska något. GPR är ett enkelt sätt att beräkna djup i lager, grundvatten, berggrund, grottor och många andra under jord eller under ytan fenomen utan att behöva gräva. Söka metallrör med en metalldetektor är en lätt uppgift, att hitta plaströr är omöjligt. GPR system har inga som helst problem att hitta metalliska eller icke-metalliska rör, elektriska kablar dolda under jord, betongplattor mm (Bild till vänster visar en hyperbel i B-Scan, vilket är typiskt för rör)

Kan man hitta ett mynt tre meter under marken?

Nej, den situationen kommer med största sannolikt inte att inträffa. Storleken och djupet av de objekt som kan detekteras är beroende på hur ofta och styrkan av de elektromagnetiska vågor som utstrålas i marken av GPR sändaren med sina antenner. De skickas in i materialet i en konform, längre in i materialet blir området större som vågen täcker, men den blir svagare också. För att se mindre föremål måste frekvensen på GPR-antennen höjas, och för att se djupare objekt sänker man frekvensen. [exempel]

Fungerar det alltid?

Nej, som det har förklarats tidigare är GPR undersökningar bara möjligt om egenskaperna hos de material i undersökningen varierar avsevärt. Ytterligare problem uppkommer om konduktiviteten hos jorden eller det material som undersöks är mycket hög. Det gör att penetrationen hos de elektromagnetiska vågorna i mediet blir mycket begränsade eller inga alls. Jordar med högt innehåll av mineraler och lera är inte bra kandidater för GPR undersökningar. [exempel]

Låt oss prova några exempel och se hur GPR fungerar!

Innan vi går vidare skulle jag vilja påminna ett par saker.

För det första är simuleringsfilerna sparas som CSV-filer med ett speciellt format. Varje avsnitt har en länkad CSV-fil så att du inte behöver skriva alla parametrar. Ladda ner arkivet som innehåller alla simuleringsfilerna och spara dom på din hårddisk och packa sedan upp dem till någon plats i datorn där du enkelt kan hitta dem senare.

För det andra, efter att simuleringen är gjord är det möjligt att analysera data i tidsdomänet eller frekvensdomänet genom att flytta muspekaren över datavyn. Om vissa uppgifter bör samlas in, tryck då på den vänstra musknappen och du kan då se avmätningen i det nedre vänstra hörnet av programfönstret.

Kontrast mellan material

Om egenskaperna hos de material som vi försöker undersöka inte är distinkta nog så blir det svårt att upptäcka dem. Vi kan använda begreppet reflektionskoefficienten för att bättre förstå idén bakom kontrasterna hos olika material.

Reflektionskoefficienten ρ (rho) är kvoten av skillnaden mellan kvadratrötterna av den relativa dielektriska konstanten för de två materialen, dividerat med summan av kvadratrötternas relativa dielektriska konstant för de båda materialen.

ε1 - relativ dielektrisk konstant av material nummer ett
ε2 - relativ dielektrisk konstant av material nummer två
En sak med den här ekvationen är att det material som är nummer ett är det överliggande materialet och material nummer två är den underliggande materialet.

Reflektionskoefficienten kan ta positiva eller negativa värden, men för att fylla syftet med den här guiden kommer vi endast beröra det absoluta värdet av resultaten och bortse från att det är positivt eller negativt. Sedan är det korrekt att säga att reflektionskoefficienten tar värden från noll till ett. När reflektionskofficienten närmas sig ett, blir resultatet för georadarundersökningen bättre och bättre.

Låt oss ta en titt på hur datan skulle se ut när kontrasten hos materialen är olika eller lika varandra.

Exempel Nr. 1

1. Öppna simuleringsfilen sim1.csv.
[ladda ner sim_files.zip]
Simuleringen fastställdes för att köras på 1GHz och vi kommer att hålla fast vid denna frekvens eftersom de är kontrasterna mellan materialen som vi vill se i detta exempel. Kontrasten mellan det första och det andra lagret är bra, med en reflektionskoefficient omkring 0,3. Men kontrasten mellan det andra och det tredje skiktet är inte bra och reflektionskoefficienten är ungefär tio gånger mindre eller 0,03. Utifrån detta skulle man kunna tänka sig att mittoppen som motsvarar gränsen mellan första och andra lagret kommer att vara stark när gränsen mellan det andra och det tredje lagret kommer att vara svag.

2. I "View" menyn väljer du 1:4 för att bättre se vad som händer, och trycker på simuleringsknappen. En bild som denna borde då visas.

Det verkar som vi gjorde rätt. Den andra toppen är flera gånger starkare än den förra, precis som vi trodde att det skulle vara.

3. Försök nu att ange en ny relativ dielektrisk konstant för det tredje lagret, säg 8,9 istället för 8 och tryck på simuleringsknappen igen. Vad hände? Den sista toppen försvann nästan, det beror på att den relativa dielektriska konstant mellan det andra och det tredje lagret nu är så nära att det nästan inte uppstår någon reflektion alls.

Prova att ändra den relativa dielektriska konstanten för de olika lagren och kör en simulering. Ett intressant värde skulle vara 18 för det sista lagret utan att ändra de andra. Det finns en överraskning där, titta och försök ta reda på när det händer och om intresse finns, varför händer det?

En intressant uppsats om denna amplitud och fasförändring i närvaro av starka kontraster mellan material kan hittas här.

Upplösning och penetration

Den upplösning och penetration som kan uppnås med GPR är beroende av många faktorer. Här kommer vi att försöka ge en bild av de viktigaste utan att gå in för mycket på djupet, trots allt är GPRSim.net en mycket enkel simulator för förenklade begrepp.

GPR-upplösning:

Begreppet GPR-upplösning i sin enklaste form är ingenting annat än det minsta möjliga objektet som radarn är kapabel att upptäcka vid en viss antennfrekvens.

Låt oss prova att upptäcka samma objekt (skikt i vår mjukvara) med två olika frekvenser.

Exempel Nr. 2

1. Öppna simuleringsfilen sim2.csv.
[ladda ner sim_files.zip]
Simuleringen fastställdes från början för att köras på 1GHz. Tre lager har definierats, det översta lagret med en dielektrisk konstant på 3 och en halvmeter tjockt. Det andra lagret med en dielektricitetskonstant av 6 och mycket tunnt, endast 8 cm tjockt och slutligen det sista lagret som anses ha oändlig tjocklek. Ledningsförmågan av alla lager sattes lika och mycket lågt för att undvika dämpningseffekter.

2. I "View" menyn väljer du 1:4 för att se bättre vad som händer.

3. Tryck på simuleringsknappen och en bild som denna borde då visas.

Reflektionen från gränsen mellan det övre tjocka lagret och det andra tunna syns tydligt, det är toppen mellan den stora (ytan) och den andra lilla toppen. Det är också möjligt att utan problem hitta en reflektion från gränsen mellan det tunna lagret och det sista lagret.

4. Skriv nu in 200 i frekvensboxen. Det blir frekvensen för den nya simuleringen.

5. Tryck på simuleringsknappen och se vad som hände.

Helt plötsligt försvann de två mindre topparna och endast en bred topp visas istället. Det är omöjligt att säga något om denna mätning och att upptäcka tjockleken på första eller andra lagret. Prova olika frekvenser och se vad som händer när frekvensen går upp och ner.

Det tidigare exemplet visar att det som var klart synlig med en antenn som arbetar på 1GHz inte alls känns igen med en antenn som arbetar vid 200MHz.

Betyder det att en högre frekvens alltid är bättre? Låt oss titta på det i nästa exempel.

Exempel Nr. 3

1. Öppna simuleringsfilen sim3.csv.
[ladda ner sim_files.zip]
Simuleringen sattes nästan på exakt samma sätt som exemplet innan, vi har bara lagt till lite av ledningsförmågan för att tydligt visa vår poäng med detta och för att ge en klarare bild av tjockleken på mellanlagret. Upplösningen var inte ett problem här.

2. I "View" menyn väljer du 1:1, eftersom detta är en djupare undersökningssimulering och vi behöver så mycket djup som möjligt.

3. Tryck på simuleringsknappen och en bild som denna borde visas.

Det finns ingenting förutom ytreflektion! Vad har hänt med tvåmeters lagret? 1 GHz antennen är väldigt bra på att lösa tunna skikt nära ytan som vi såg i det föregående exemplet, men den verkar vara oanvändbara när det andra och tredje lager var något djupare.

4. Skriv nu in 200 i frekvensboxen. Det blir frekvensen för den nya simuleringen.

5. Tryck på simuleringsknappen och se vad som hände. De två topparna som visade de två djupa gränserna har dykt upp och är inga problem alls att se. Vad som har hänt här är att antennen med frekvens på 200 MHz nått djupare in i materialet, men på bekostnad av upplösning.

Prova att minska tjockleken på det andra skiktet men bibehåll frekvensen och se vad som händer. Ett intressant värde kan vara 10 cm, test och se.

Efter exempel nummer tre stod det klart att högre frekvens inte alltid är bättre. Frekvensen på en antennen och GPR-sändaren skall väljas med hänsyn till djup och storleken på de objekt vi försöker att upptäcka.

Dämpning

I föregående exempel bytte vi en parameter för att klarare vår poäng, det var ledningsförmågan hos lagren. Men hur påverkar det GPR undersökningen? Högre ledningsförmåga i materialet vi försöker kartlägga ger högre dämpning av elektromagnetiska vågor som tränger in i mediet och därmed kommer vi inte kunna "se" mindre i marken. Mycket elektriskt ledande medier är saltvatten, vissa typer av lera (särskilt om de är blöta). Jordbruksmark som innehåller lösliga gödningsmedel som kväve eller kalium kan också vara mycket ledande.

Låt oss prova ett exempel som visar just detta.

Exempel Nr. 4

1. Öppna simuleringsfilen sim4.csv.
[ladda ner sim_files.zip]
Simuleringen ställdes in på att ha tre lager med samma ledningsförmåga och dielektriska konstanterna valdes så är topparna blev fördelade på ett jämnt avstånd från varandra.

2. I "View" menyn väljer du 1:4, vilket ger oss möjlighet att enklare se vad som kommer att hända.

3. Tryck på simuleringsknappen och en bild som denna borde visas.

4. Skriv nu 0,15 i boxen för ledningsförmågan för det andra skiktet, som är 150 milli Siemens/m. Vi har nu ökat ledningsförmågan tio gånger för det andra lagret.

5. Tryck på simuleringsknappen och se vad som händer. Den tredje toppen är nu knappt synlig trots att kontrasten mellan det andra skiktet och det tredje inte har förändrats. Vad hände? Ledningsförmågan i det andra lagret blev så högt att nästan all energi avleds och det fanns nästan ingenting kvar för att övervinna tjockleken på det sista lagret och sedan reflekteras tillbaka.

Genom att ändra ledningsförmågan är det möjligt att se hur olika medier är mer eller mindre öppna för elektromagnetiska vågor.

Prova att ändra värdena för ledningsförmågan och se hur det påverkar GPR datan. Genom att öka ledningsförmågan i det första lagret blir andra och tredje svagare. Prova gärna med fler än tre lager.

Djup till målet

Hastighet: Hastigheten hos elektromagnetisk vågutbredning genom ett fysiskt medium kan för de flesta praktiska ändamål definieras som förhållandet mellan ljusets hastighet i vakuum och kvadratroten av den relativa dielektriska konstanten i mediet.

Om utbredningshastighet genom ett medium är känt och restiden via mediet kan erhållas, då är det enklelt att aritmetiskt beräkna tjockleken på mediet. Detta är absolut endast sant om mediet är homogent och isotropiskt i rymden. Låt oss prova ett exempel för att se hur det fungerar.

Exempel Nr. 5

1. Öppna simuleringsfilen sim5.csv.
[ladda ner sim_files.zip]
Som ni ser finns det bara två lager i denna simulering, det första lagret och botten som anses vara oändligt tjock.

2. I "View" menyn väljer du 1:4 för att få en klar bild av ytreflektionen och gränsen mellan det första och det andra lagret.

3. Tryck på simuleringsknappen och bild som denna borde visas. Det första utslaget är reflektionen vid ytan och den andra är reflektion vid gränsen mellan det första och det andra lagret.

4. Placera muspekaren över den högsta positiva toppen och tryck på vänster knapp. I det nedre vänstra hörnet visas tiden 6,33 nS. Nu sätter vi muspekaren över den näst högsta positiva toppen och göra samma sak som tidigare. Tiden vi fick för denna reflektion är 11,7 nS.

5. Tidsskillnaden mellan den första toppen och den andra är 11.7 nS - 6.33 nS eller 5.37 nS. Detta är den tid som det tar för en elektromagnetisk våg att resa från ytan till det andra skiktet och tillbaka.

6. Tjockleken på lagret kan beräknas som:

D - Djup till målet eller tjockleken på lagret
c - Ljusets hastighet i vakuum
t - Tur och retur tiden för den elektromagnetiska vågen
ε - Mediets relativa dielektriska konstant

Sätter vi in värdena i ekvationen ger det oss en lager tjocklek på 0,2 meter och det är precis vad vi matat in i rutan för skikttjocklek.

I verkliga undersökningar måste den relativa dielektriska konstanten för lagret erhållas genom direkt mätning eller helt enkelt genom en uppskattning. Mer homogena medier ger ett bättre värde av den relativa dielektriska konstanten, vilket leder till mer exakta mätresultat.

Prova olika simuleringar för att få en uppfattning om det nödvändiga intervallet för att observera funktionen under jord.

Begreppen ovan är de mest grundläggande i georadarteknik. Inte på något sätt är denna handledning komplett och/eller uttömmande och många viktiga begrepp utelämnades, delvis eftersom det inte var syftet med denna handledning att vara en undersökningsdesignsguide eller något liknande och dels för att funktioner som spridning, fokusering, närområdeseffekt och många fler inte kan simuleras i GPRSim.net.

Ladda ner denna handledning som en PDF här.