رادارهای نفوذ به زمین (GPR)
رادارهای نفوذ به زمین یا GPR چیست
GPR چیست: رادارﻫﺎی ﻧﻔﻮذ به زﻣﻴﻦ GPR ﻛﻪ ﮔﺎﻫﺎً رادار ﻧﻔﻮذی، زﻣﻴﻦ رادار ﻳـﺎ رادار ﺻـﻮﺗﻲ زﻣـﻴﻦ ﻧﺎﻣﻴﺪه میﺷﻮﻧﺪ. روش ژﺋﻮﻓﻴﺰﻳـﻚ اﻟﻜﺘﺮوﻣﻐﻨـﺎﻃﻴسی ﺑـﺪون ﻣﺰاﺣﻤـﺖ در اﻛﺘﺸـﺎف، ﺗﺼـﻮﻳﺮﻧﮕﺎری و ﺗﺸﺨﻴﺺ ﺗﺤﺖ اﻻرض میﺑﺎﺷﺪ اﻳﻦ روش ﺑﻪ ﻃﻮر وﺳﻴﻊ ﺑﺮاي ﺗﻌﻴﻴﻦ ﻣﻜﺎن و ﺗﺼﻮﻳﺮ ﻧﮕﺎري ﺗﺠﻬﻴﺰات ﻣﺪﻓﻮن، ﺗﺸﺨﻴﺺ ﺷﺮاﻳﻂ ﺳﺎﺧﺘﮕﺎه، ﻛﺸﺎورزي ﺑﺎﺳﺘﺎنﺷﻨﺎﺳﻲ و ﺗﺤﻘﻴـﻖ ﻛـﺎﻟﺒﺮي اﺳـﺘﻔﺎده و ﺗﺼـﻮﻳﺮﻧﮕﺎري ﺷﺪه اﺳﺖ. اﻳﻦ روش ﮔﺎﻫﺎً ﺑﺎﻻﺗﺮﻳﻦ وﺿﻮح را در ﺗﻤﺎم روشﻫﺎي ژﺋﻮﻓﻴﺰﻳﻜﻲ ﺑﺮاي ﺗﺼﻮﻳﺮﻧﮕﺎري تحت الارضی با مقیاس 1cm را ممکن میسازد.
هدف GPR چیست
در این مقاله روش رادار نفوذ به زمین GPR برای سنجش محتوای آب موجود درخاک تحت بررسی و مطالعه قرار گرفتهاست. در مقدمه ابتدا هیدرولوژی خاک و روشهای سنجش آب موجود درخاک ارائه میشود. در ادامه تئوریهای مربوط به انتشار امواج الکترومغناطیس تحت بررسی قرار میگیرند. روش رادار نفوذی درون زمین شامل روشهای آفست مشترک(CO) نقطهی میانی (CMP) و بازتاب و انکسار زاویهی باز (WARR) را مورد مطالعه و بررسی قرار خواهیم داد.
تاریخچه GPR چیست
رادار مخفف کلمات RAdio Detection And Ranging است که در سال 1934 بكارگرفته شد . اولين رادار نفوذ به زمين در اتريش و در سال 1929 مورد استفاده قرار گرفت. GPR از امواج الكترومغناطيس استفاده مي كند و تغييرات كمي در خصوصيات الكتريكي و مكانيكي زمين را تعيين ميكند و در حقيقت نوعي راديوي صوتي است كه معيارهاي تحت الارضي كم عمقي را بررسي مي كند.
موارد استفادهی GPR چیست
GPR ممكن است از سطح زمين، درون چاه يا مابين چاه ها، از هواپيما يا ماهواره مورد استفاده قرار گيرد و داراي بالاترين وضوح در تصوير نگاري تحت الارضي در بين تمام روشهاي ژئوفيزيكي است. GPR زماني در بهترين حالت كار ميكند كه تفاوت خصوصيات الكترومغناطيسي موادي كه بررسي و نقشه برداري ميشوند به خوبي تعريف و مشخص شده باشند. تغييرات تدريجي در مواردي به آساني قابل تشخيص نيست.
آب سطحی
محتوای آب سطحی اهمیت زیادی برای حیات روی کره زمین دارد. واضح است که این پارامتر دورنمای بنیانی پوشش گیاهی و در نتیجه حیات را مشخص میکند. به عنوان مثال تغییرات شدید دمای روز و شب در بیابانها در مقایسه با نواحی معتدل را میتوان به کمبود آب نسبت داد. در اینجا تبخیر آب موجود درسطح خاک در طول روز یکی از عوامل موثر به شمار میرود. این امر موجب خنک شدن سطح خاک میشود.
آب موجود درخاک
علاوه بر این آب موجود درخاک انرژی حرارتی روز را در خود ذخیره میکند. این انرژی در طول شب دوباره آزاد می شود. روشهای بسیار متعددی وجود دارند که به اندازهگیری محتوای آبِ خاک کمک میکنند. این روشها را میتوان بهصورت روشهای مستقیم یا غیر مستقیم هجومی یا غیرهجومی و همچنین برحسب مقیاس کاربردشان تفکیک نمود. در اینجا روشهای اندازهگیری غیرمستقیم آن دسته از روشهایی هستند که در آنها محتوای آب از طریق کمیتهایی همچون خواص ماده دیالکتریک بدست میآیند.
ضریب گذردهی نسبی خاک در روش GPR چیست
در این روشها از ضریب گذردهی نسبی خاک به عنوان معرف محتوای حجمی آب استفاده میشود. چرا که گذردهی نسبی آب به مراتب بیشتر ازخمیره خاک و هوای موجود در فضای متخلخل خاک است. روشی که در این مقاله به آن پرداخته میشود رادار نفوذ به زمینGPR است. مطابق این روش که در ادامه به آن پرداخته خواهد شد زمان سیر امواج الکترومغناطیس اندازه گیری میشود. این پارامتر از طریق سرعت امواج الکترومغناطیس رابطه نزدیکی با گذردهی نسبی دارد. GPR برای اندازهگیری محتوای آب در مقیاس منطقههای با طول برداشتهای چند صد متری به کار میرود.
سازوکار
در این روش امواجی از دستگاه GPR ساطع شده و به داخل زمین نفوذ میکند. این امواج در برخی ناپیوستگیها به دلیل تغییر در گذردهی الکتریکی در دو طرف مرز مشرترک دو محیط بازتاب میشود. بازتابش ها توسط دستگاه دریافت شده و با توجه به سرعت این امواج که در محیط های مختلف متفاوت است میتوان اطلاعاتی مانند جنس محیط، عمق مواد مدفون، موقعیت مرز لایههای درون زمین و غیره را به دست آورد.
کاربردهای GPR چیست
از جمله کاربردهای دیگر این روش میتوان به موارد زیر اشاره نمود:
- اکتشاف مواد معدنی فلزی و غیرفلزی( مگنتیت هماتیت پیروتیت ایلمنیت تیتانومگنتیت).
- حل ابهامات زمین شناسی مطالعه پوسته زمین و شناسایی تغییرات پی سنگ.
- مطالعه ساختارهای نفت و گاز تعیین محل شکستگی ها و گسل ها.
- مطالعات باستان شناسی
- مطالعات نظامی (شامل یافتن تونلهای زیرزمینی مهمات مین و …)
- تخمين اهداف قرار گرفته در محيط هاي ناهمگن.
- مطالعه بقاياي اجسام مصنوعي باقيمانده در فضا از قبيل ماهواره هاي غير كاربردي و ذرات منفجر نشده راكتها.
گذردهی دیالکتریک و سرعت انتشار موج در ماده
در حالت کلی گذردهی دیالکتریک را در قالب تابعی مختلط در نظر گرفت:
سرعت موج در ماده دیالکتریک به صورت زیر است:
به سبب پهنای باند رادار GPR در محدوده 10 MHz تا 1GHz است، بخش موهومی بسیار کوچک میشود و قابل صرفنظر کردن است.
بنابراین:
سنجش خواص مواد با استفاده از امواج الکترومغناطیس
اساساً میتوان به دو روش از اموج الکترومغناطیس برای سنجش خواص مواد استفاده کرد: بازتاب و انتقال. برای هر دوی این روشها می توان زمان سیر موج الکترومغناطیس را به منظرور کسب اطلاعات درباره مادههایی که موج در آن منتشر شده است ارزیابی نمود. در اینجا ما بر روی اندازهگیری بازتابها متمرکز شدهایم.
مفهوم موجک
در حیطه کاربردهای GPR فرض برآن است که یک پالس الکترومغناطیسی با طول متناهی در زمان و شکلی مشخص، ساطع میشود. این پالس در ماده مجاور خود منتشر میشود یا مستقیماً به گیرنده میرسد و یا اینکه بعد از یک یا چند بازتاب به گیرنده میرسد. مجموع همه پالسهای اندازه گیری شده سیگنال را تشکیل میدهد.
این پالس را می توان موجک نامید و سیگنال اندازهگیری شده را میتوان به عنوان مجموعهای از موجکهای روی هم افتاده دانست که هر یک از آنها در راستای مسیر انتشار متفاوتی منتشر میشوند.
گذردهی دیالکتریک نسبی خاک
خاک را می توان یک ماد سه فازی دانست که ازخمیره خاک، هوا و آب تشکیل شده است. بنابراین باید ابتدا گذردهی هر یک از این فازها مطالعه شود و سپس به مخلوط آنها پرداخت.از آنجاییکه در بازه فرکانسی GPR، میتوان مقادیر گذردهی هوا و خاک را به ترتیب 1 و 5.4 درنظر گرفت؛ لذا تمرکز ما بر روی گذردهی نسبی مخلوط خاک و آب خواهد بود.
گذردهی نسبی آب
برای فرکانسهای کمتر از 1GHz میتوان گذردهی دیالکتریک آب را مستقل از فرکانس در نظر گرفت و از بخش موهومی آن چشمپوشی نمود:
که در آن دما T برحسب کلوین است.
گذردهی نسبی ترکیبی
اگر فرض کنیم که هیچ یک از مؤلفههای سازنده ، میرایی نداشته باشند یک فرمول ترکیب ساده را میتوان به کار برد که به آن مدل شاخص انکساری مختلط گفته میشود. در اینجا گذردهی دی الکتریک از رابطه زیر بدست می آید:
که در آن:
از روی این معادله میتوان فرمولی برای بدست آوردن محتوای حجمی آب از رابطه زیر بدست آورد:
در اینجا گذردهی نسبی ترکیبی مستقیما اندازهگیری شده است. باید مقدار تخلخل، گذردهی نسبی خمیره خاک و دما را که بر گذردهی آب اثر گذارند را جداگانه اندازهگیری نمود.
رادار نفوذ به زمین (GPR)
رادار نفوذی در زمین (GPR) یک روش اندازهگیری ژئوفیزیکی پیشرفته است که میتوان آن را برای کاوش در ساختارهای تحت الأرضی نزدیک به سطح به کار بست. اصول اندازهگیری در این روش مبتنی بر انتقال پالسهای الکترومغناطیسی فرکانس پایین به درون زمین است. زمان سیر پالس های ساطع شده توسط یک آنتن گیرنده برداشت و ثبت میشوند.
فرکانسهای مختلف توسط آنتنهای با فرکانس مرکزی مختلف تولید منتشر و دریافت میگردند. عمق نفوذ این امواج کم و بستگی به هدایت الکتریکی زمین و مقدار فرکانس مورد استفاده دارد. در حالت کلی هرچه هدایت الکتریکی زمین بیشتر باشد (مانند محیطهای رسی) عمق نفوذ کمتر و هرچه هدایت الکتریکی زمین کمتر باشد ( مانند محیط های آهکی و خشک) عمق نفوذ بیشتر میشود. همچنین هرچه فرکانس بالاتر باشد عمق نفوذ کمتر و هرچه فرکانس پایینتر باشد عمق نفوذ بیشتر است.
چگونگی سازوکار
زمانیکه پالس الکترومغناطیسی ساطع شده از آنتن به یک ناپیوستگی الکتریکی برخورد میکند بخشی از آن از فصل مشترک عبور کرده و بخشی بازتاب میشود. این امر ناشی از تغییر امپدانس امواج الکترومغناطیس در فصل مشترک میباشد. مقدار انرژی بازتابی و عبوری و همچنین مقدار انرژی اتلافی بستگی به خواص الکتریکی مواد در دو طرف فصل مشترک دارد.
اگر زمان رفت و برگشت موج الکترو مغناطیسی که از آنتن فرستنده ساطع شده و بعد از انعکاس از توده بازتاب کننده به آنتن گیرنده باز میگردد را اندازهگیری کنیم میتوان عمق توده مورد نظر را تعیین کنیم. این امر در صورتی امکان پذیر است که سرعت پالس (موج الکترومغناطیس) در محیط مشخص باشد.
پارامترهای مهم در طراحی
آنتنهای GPR تعدادی پالس مشخص را در فواصل زمانی معین که معمولا بین 2 تا 50 میکروثانیه میباشد را ساطع میکنند. نمونهبرداری در این روش به فاصله زمانی بین دو پالس متوالی که به آن sample گفته میشود، مربوط است. به این فاصله زمانی sampleing interval گفته میشود.
از دیگر پارامترهای مهم در طراحی علاوه بر فرکانس آنتن، پنجره زمانی، فواصل ایستگاهها، موقعیت پروفایلهای برداشتی، انتخاب فواصل نمونهبرداری روی شکل موج ثبت شده است. این پارامتر توسط نظریه نایکویست کنترل میشود. طبق این نظریه فرکانس نمونه برداری باید حداقل 2 برابر فرکانس مرکزی آنتن مورد استفاده باشد.
قدرت نفوذ و دقت روش GPR
قدرت نفوذ و دقت روش GPR وابسته به فرکانس موجی است که توسط دستگاه به درون زمین ارسال میشود. هر چه این موج فرکانس پایینتری داشته باشد قدرت نفوذ آن افزایش مییابد و میتوان لایههای عمیقتری از زمین را توسط این موج شناسایی نمود. اما در مقابل قدرت تفکیک و در نتیجه دقت روش کمتر میشود.
یعنی در اعماق کمتر قدرت تفکیک بالاتری وجود دارد و اجسام با ابعاد کوچکتر را نیز میتوان شناسایی نمود. اما هر چه عمق بیشتر میشود اجسام باید ابعاد بزرگتری داشته باشند تا توسط این روش قابل شناسایی باشند. دستگاههای GPR معموی دارای آنتنهای مختلف میباشند. هر کدام از این آنتنها قادر هستند تا موج با فرکانس خاصی را از خود ساطع کنند. با توجه به موارد گفته شده هر کدام از این آنتن ها جهت شناسایی هدف خاصی مورد استفاده قرار میگیرند.
آنتنهای GPR
دستگاه GPR به همراه دو نمونه آنتن مختلف بکار گرفته میشوند. این آنتنها با توجه به فرکانس امواج ارسالی هر کدام در شناسایی اهداف خاصی کاربرد دارند.
- آنتن با فرکانس 500 مگاهرتز معمولا برای شناسایی اعماق بین 50 سانتیمتر تا 2 متر به کار میرود. این نوع آنتن معمولا برای شناسایی اجسامی با ابعاد حدود 10 سانتیمتر مناسب است.
- آنتن با فرکانس 250 مگاهرتز برای شناسایی اعماق بین 2 تا 4 متر مناسب است. این نوع موج میتواند اجسامی با ابعاد حدود 20 سانتیمتر را شناسایی کند.
البته باید توجه داشت که عمق نفوذ و قدرت تفکیک امواج الکترومغناطیس وابستگی زیادی به عوامل محیطی مانند میزان رطوبت جنس خاک وغیره دارد. در نتیجه اندازههای عنوان شده تنها حدودی از میزان دقت و کارآیی روش را نشان میدهد.
داده برداشت شده توسط GPR به دلیل مواردی چون جذب امواج توسط لایههای زمین شیب لایههای، نویز موجود در محیط و غیره از کیفیت و وضوح کافی برخوردار نیست. در نتیجه نیاز است تا با کمک عملیاتهای ریاضی مختلف، تصحیحاتی بر روی این داده صورت پذیرد. در کشور ما نیز تحقیقات معدودی در این زمینه موجود است که از آن جمله میتوان به روش آشکارسازی طاقهای باستانی مدفون در خاکهای نزدیک سطح، آشکارسازی شکستگیها و تاقدیسهای نزدیک سطح، آشکارسازی قنات و لولههای مدفون زیرسطحی و تعیین ضخامت آسفالت اشاره کرد.
اصول اندازهگیری
سیستمهای استاندارد رادار نفوذ به زمین از یک آنتن فرستنده و یک آنتن گیرنده تشکیل میشوند. پالسهای الکترومغناطیس فرکانس بالا (بازه 50 مگاهرتز تا 1 گیگاهرتز) بوسیله آنتن فرستنده به درون زمین ارسال میشوند. موجک رادار درون خاک منتشر شده و سرعت آن به خواص دی الکتریک زمین بستگی دارد. در سطوح مشترکی مثل مرز لایههای خاکی مختلف یا اشیاء متمایز که خواص دیالکتریک مواد مختلف تغییرات ناگهانی دارند بخشی از موج الکترومغناطیس بازتاب میشود.
ثبت زمان سیر
زمان سیر و دامنۀ موجک بوسیله آنتن گیرنده برداشت و ثبت میشوند. زمان سیر موجک که بوسیله آنتن گیرنده برداشت میشود به مسیر انتشار موجک و خواص دیالکتریرک مواد بستگی دارد. اولین موجکی که توسط آنتنهای گیرنده دریافت میشود موج موسوم به موج هوایی است که در هوای بین دو آنتن با سرعت نور در خلاء منتشر میشود.
دومین موجکی که به گیرنده میرسد موج زمینی نام دارد. این موج نیز مستقیماً از فرستنده به گیرنده و در راستای سطح تماس هوا – خاک منتشر میشود و میتوان از آن برای بدست آوردن محتوای رطوبت خاک نزدیک به سطح استفاده کرد. به امواج هوایی و زمینی »امواج مستقیم» نیز گفته میشود و این امواج همیشه وجود دارند و مستقل از ساختار خاک هستند.
شناسایی موجکهای بازتابی
در خاکهای لایه لایه میتوان موجکهای بازتابی و انکساری را نیز شناسایی نمود. پدیده انکسرار در سطح مشترک بین لایههایی از خاک که خواص دیالکتریک متفاوتی دارند روی میدهد. اگر باشد یک نوع موج دیگر بنام موج منشأ انکساری هم قابل شناسایی است که به موازات مرز لایه دوم منتشر میشود. ضمناً امکان وجود ترکیبی از این انواع موج اولیه که در شکل 3 نشان داده شدهاند هم در رادارگرام وجود دارد ولی در اینجا به آنها پرداخته نشده است.
تولید رد
سیگنالهای موجکهای ساطع شده مختلف، طی زمانهای متفاوتی به آنتن گیرنده میرسند. با رسم دامنههای برداشت شده برحسب تابعی از زمان نموداری موسوم به رد حاصل میشود. شکل 4 نشان دهنده ردی است که از موج هوا، موج زمینی و موج بازتابی تشکیل شده است.
در یک اندازه گیری GPR استاندارد در حالیکه آنتنها در راستای مسیر برداشت کشیده میشوند ردها در بازههای ثابت بوسیله چرخ اندازهگیری که به پشت آنتن متصل است برداشت میگردند. این کار موجب بدست آمدن مجموعهای از ردها میشود که در نهایت بوسیله نرمافزار اندازهگیری و برحسب تابعی از مکان و زمان در قالب نموداری موسوم به رادارگرام نمایش داده میشوند.
سیستم اندازهگیری
بخش اصلی سیستم GPR واحد کنترل آن است که سیگنال GPR را ساخته و وظیفه دریافت سیگنالها پس از عبور آنها از زمین را نیز برعهده دارد. کل سیستم توسط کامپیوتر کنترل میشود. چرخ اندازهگیری در پشت جعبۀ آنتن مسافت را در راستای مسیر برداشت، اندازهگیری کرده و شلیک پالسهای الکترومغناطیس را بر عهده دارد.
روشهای اندازهگیری
آفست مشترک (Common offset)
آفست مشترک سادهترین و پراستفادهترین روش اندازهگیرری GPR است. در این چیدمان آنتنهای فرستنده و گیرنده در حالی در راستای مسیر برداشت حرکت داده میشوند که فاصله بین هر دو آنتن در کل طول برداشت ثابت نگه داشته میشود. پالسهای الکترومغناطیس در بازههای مسافتی یکسانی که بوسیله چرخ برداشت کنترل میشود ساطع میگردند. با استفاده از این روش اندازهگیری میتوان به شکلی موثر و سریع اطالاعاتی درباره ساختار تحت الارضی نزدیک به سطح بدست آورد.
از روی زمان سیر اندازهگیری شده (t) برای سیگنال الکترومغناطیس بازتابیده میتوان عمق (d) یک بازتابنده افقی را بدست آورد (شکل 7)
که در آن a برابر با فاصله بین آنتنهای گیرنده و فرستنده است. با فرض یک ماده همگن زمان سیر از رابطه زیر بدست می آید:
در صورتیکه که عمق سطح بازتابنده معلوم باشد می توان گذردهی نسبی را بدست آورد که در نهایت امکان محاسبۀ محتوای حجمی آب این لایه را از طریق فرمول CRIM فراهم میکند. با این حال معمولا عمق سطح بازتابنده معلوم نیست. بنابراین معمولا اطلاعات بدست آمده از اندازهگیری های CO کمتر از حد لازم برای تخمین درست محتوای آب در خاک است. حداقل باید این اطلاعات را بوسیلەی اطلاعات مستقل بدست آمده از سایر روشها تکمیل نمود.
روش نقطەی میانی
در یک اندازهگیری نقطه میانی (CMP) فرستنده و گیرنده با گامهایی مساوی از یکدیگر فاصله میگیرند (شکل 8). در هر موقعیت یک رد اندازهگیری میشود. از این طریق میتوان سیگنال بازتابیده را با استفاده از زوایای مختلفی اندازهگیری نمود. رادارگرام حاصله نشان دهنده زمان سیر برحسب تابعی از فاصله جدایش آنتنها خواهد بود. بدلیل تفاوت سرعت این دو موج مستقیم، شیب آنها در نمودار زمان سیر، متفاوت از آنجایی که موج هوایی و زمینی مستقیماً بین آنتنهای فرستنده و گیرنده سیر میکنند رابطهای خطی بین زمان سیر (t) هر موج و فاصله جدایش آنتن ها (a) وجود دارد و ثابت تناسب این رابطه برابر باV/1میباشد:
متعاقباً سرعت انتشار (v) موج GPR در خاک را میتوان مستقیماً از روی رادارگرام و بوسیله تخمین شیب موج زمینی بدست آورد و با استفاده از معادله CRIM نیز می توان متوسط محتوای حجمی آب را محاسبه کرد . از آنجاییکه موج زمینی در نزدیکی سطح تماس خاک – هوا سیر میکند آن بخش از خاک را که به عنوان مثال برای رشد گیاهان حائز اهمیت است پوشش می دهد. از روی اندازهگیری CMP میتوان عمق بازتابنده را در زیر نقطه میانی بین آنتنهای فرستنده و گیرنده بدست آورد.
شکل 9 رادارگرام CMP
از روی سهمویهای بازتابی که در نمودار زمان سیر نمایش داده شدهاند میتوان گذردهی نسبی و عمق بازتابنده را مستقلا بدست آورد. با رسم دادههای اندازهگیری شده در نمودار میتوان به رابطهای طی بین t و a رسید که از این قرار است:
(10)
حالا میتوان سرعت انتشار موج الکترومغناطیس را مستقیماً از روی شیب بدست آورد. عمق بازتابنده هم مستقیماً از روی تقاطع این با محور y قابل تعیین است.
بازتاب و انکسار زاویۀ باز
بر خلاف آنچه در اندازهگیریهای CMP میبینیم در اندازه گیریهای بازتابی و انکساری زاویه باز (شکل10) صرفاً آنتن فرستنده یا گیرنده در راستای اندازهگیری جابجا میشود در حالیکه آنتن دیگر ثابت نگهداشته میشود.
اصولا در اندازهگیریهای WARR از همان روابطی تبعیت میشود که در مورد زمان رسیدن در اندازهگیریهای CMP بیان شد. تنها تفاوت در آنجاست که نقطه بازتاب در راستای بازتابنده جابجا میشود. به همین دلیل اندازهگیری WARR صرفاً در مورد بازتابندههای افقی یا بازتابنده های با شیب بسیار ملایم با جنس مواد همگن کاربرد دارند.
بطور کلی اندازهگیریهای CMP و WARR اطلاعات بیشتری نسبت به اندازه گیری CO در اختیار ما میگذارند. عیب این روشها کار زیادی است که برای انجام این روشها باید انجام شود چرا که هر دوی آنها تنها اطلاعات نقطههای مربوط به یک محل خاص را ارائه میدهند. بنابراین استفاده از هر دوی این روشها در راستای خطوط اندازهگیری طولانی، دشواری زیادی به همراه دارد.
GPR چند کاناله
گرهاردز (2008) برای آنکه بتواند سنجشی انجام دهد که میزان کار قابل قبولی بطلبد و تقریباً به اندازه مجموعهای از اندازهگیریهای CMP و WARR اطلاعات برداشت کند یک روش اندازه گیری GPR چند کاناله توسعه داد. او در این روش جدید روشهای اندازهگیری سنتی CO و CMP را با هم تلفیق میکرد.
در این چیدمان دست کم دو واحد GPR استاندارد که هر یک شامل آنتنهای فرستنده و گیرنده هستند در یک ردیف و با فاصلهای ثابت با هم جفت شده و در راستای مسیر برداشت جابجا میشوند (شکل10). واحد چند کاناله میتواند دادهها را از همه ترکیبهای فرستنده گیرندههای قابل دسترسی برداشت نماید.
در مثال ارائه شده در شکل 10 میبینیم که این روش منجر به شکلگیری 4 کانال اندازهگیری همزمان شده است، که میتوان از آنها برای ثبت همزمان رادارگرام های آفست مشترک با فواصل جدایش آنتن مختلف استفاده کرد. سرعت این نوع برداشت تقریباً به اندازه سرعت اندازهگیریهای آفست مشترک استاندارد با صرفاً یک سیستم آنتن است.
ترکیب چیدمانها
در چیدمانی مشتمل بر دو سیستم آنتن، چهار کانال موجود را میتوان به شکلهای زیر ترکیب نمود:
- کانال 1: فرستنده 1 در ترکیب با گیرنده 1 (T1R1)
- کانال 2: فرستنده 1 در ترکیب با گیرنده 2 (T1R2)
- کانال 3: فرستنده 2 در ترکیب با گیرنده 1 (T2R1)
- کانال4: فرستنده 2 در ترکیب با گیرنده 2 (T2R2)
در اینجا کانالهای 1 و2 از روش آفست مشترک استاندارد استفاده میکنند بهعبارتی داریم: cte = a2 = a1 . فواصل جدایش آنتن برای کانالهای 3 و 4 میتوانند توسط کاربر انتخاب شوند (شکل 11).
فاصله جدایش بهینه آنتنها عبارتاند از:
قانون سرانگشتی
در صورتیکه اطلاعاتی درباره محل اندازهگیری در دسترس نباشد میتوان از قانون سرانگشتی ,a=2h استفاده کرد که در آن h برابر با عمق نفوذ مورد نظر میباشد.
از روی یک اندازهگیری GPR چند کاناله میتوان با کمترین تلاش و به شکلی موثر به تخمین عمق بازتابنده (h) پرداخت. متعاقباً میتوان این اطلاعات را برای بدست آوردن متوسط محتوای رطوبت و گذردهی نسبیبا استفاده از فرمول CRIM بکار برد. در اینجا برای هر موقعیت اندازهگیری متمایز، نیازمند دست کم دو زمان سیر مطلق هستیم.
رادارگرام های 1 و 2( شکل 10) طوری در جهت جانبی جابجا شدهاند که نقاط اندازهگیری با کانالهای 3 و 4 منطبق شدهاند. از این طریق میتوان در یک نقطەی واحد، سه اندازهگیری با فواصل جدایش آنتن متفاوت به انجام رسانید.
برای بدست آوردن مقادیر مطلق گذردهی نسبی و عمق بازتابنده به زمان سیرهای مطلق نیز نیازمندیم که ابتدا روی رادارگرام مشخص نیستند. بدلیل دشواری های آزمایشگاهی، هر رادارگرامی آفست مجهولی دارد کره البته میتوان آن را بوسیله زمان سیر موج هوایی توسط رابطه زیر بدست آورد:
در اینجا همان آفست مجهولی است که باید آن را از روی رادارگرام بدست آورد. این مقدار را میتوان از روی زمان سیر موج هوایی در فاصله جدایش آنتنها محاسبه نمود. با این حال از آنجاییکه اندازهگیری زمان سیر در چنین فاصلهای مقدور نیست باید روش دیگری برای رسیدن به این مقدار پیدا کنیم. بعد از انجام تصحیح آفست (معادله 8) میتوان رادارگرامهای اندازهگیری شده را بصورت کمّی مورد تحلیل قرار داد:
ارائه مدلی جدید
پیشرفتهای گستردهای که در صنعت رادار پدید آمد، موجب شد تا نقشآفرینی این تکنولوژی در زمینههای مختلف نیز افزایش یابد. به خصوص که این تکنولوژی در رادارهای نفوذ به زمین کاربردهای بسیاری پیدا نمود. مبانی GPR در بسیاری از زمینهها در آزمایشات غیر هجومی کاربرد دارد.
ویژگیهای فیزیکی و الکتریکی GPR چیست
تاکنون ویژگیهای فیزیکی و الکتریکی خاک توسط پژوهشگران بسیاری مورد بحث قرار گرفته است، و این ویژگیها در بسیاری از جنبههای تخمین ساختار خاک کمک میکند. اما نتایج گاهی دچار ایرادهایی در تخمین رطوبت خاک در زمان حقیقی همراه است که زمان و تجهیزات پیچیدهای هم مورد نیازش هستند. در 1980 یک روش الکترومغناظیسی ابداع شد و با یک فرمول گذردهی خاک را به میزان رطوبت آن مرتبط میساخت. این روابط به صورت زیر بوده
این رابطه همان رابطه Topp است. S و c نسبت ماسهای بودن و رسی بودن خاک را در مطالات نشان میدهد. گذردهی خاک براساس نوع خاک در فرکانسهای پایین (1.5GHz) به میزان قابل توجهی تغییر میکند.
آزمایشهای انجام شده
در آزمایشهای انجام شده که از یک آنتن شیپوری استفاده شده و با نمونههای مختلف خاک انجام گرفته است. این آزمایشات در بازه فرکانسی 1.7-2.6 GHz انجام گرفته است و در نمودارهای آن میزان اتلاف برگشتی را برحسب رسم نمودهایم. همانگونه که در نمودار زیر هم میبینیم، با افزایش میزان آب، RL کاهش یافته است. براساس نتایج تئوری و عملی به دست آمده میبینیم که خاک کشاورزی با کمی اختلاف همان منحنی های تئوری را دنبال میکند. برای ایجاد همخوانی بین این نتایج میزان خطا با حالت تئوری را مشخص نموده که در بیشترین حالت به %7 میرسد.
اتلاف انرژی و عمق نفوذ
برای ثابت اتلاف α و بعد از ساده سازیهای فوق الذکر، خواهیم داشت:
هر چقدر مقدار σ بالاتر باشد میزان تضعیف موج الکترومغناطیس هم بیشتر خواهد بود. به عنوان مثال درون خاک رسانش الکتریکی به دلیل افزایش محتوای رطوبت، محتوای رس یا مقدار مواد حل شده در محلول خاک افزایش مییابد.
پراکندگی و پراش
پراکندگی و پراش انرژی الکترومغناطیس در اشیائی کره بزرگی ابعاد آنها در مرتبه بزرگی طول موج الکترومغناطیس برخوردی قرار میگیرد. موجب تغییر جهت انرژی شده و دیگر در آنتن گیرنده قابل دریافت نخواهد بود.
در پی اتلاف ناشی از بازتاب و انتقال در هر بار عبور از یک مرز لایه هم شاهد اتلاف انرژی خواهیم بود. بخش عبوری انرژی دیگر قابلیت رسیدن به آنتن گیرنده را نخواهد داشت. بدلیل عدم جفت شدگی آنتنها با زمین، بخشی از انرژی در فضا رها میشود. اینگونه اتلافها را در قالب اتلافهای مرزی دسته بندی میکنند.
تفکیک پذیری سیگنال
شناسایی موفق اشیاء یا ساختارهای تحت الارضی عمدتاً بواسطه تفکیک پذیری اندازهگیریهای انجام شده محدودیت دارد. این به معنای توانایی در تمایز بین دو ساختار یا سیگنال نزدیک به هم است که به لحاظ زمانی نزدیک به یکدیگر واقع شدهاند. تفکیک پذیری مکانی با طول موج (λ) سیگنال الکترومغناطیس ارتباط دارد. در صورتیکه فاصله جدایش دو بازتابنده بیش از نصف طول موج (2/λ) باشد معمولاً بخوبی میتوان آنها را در رادارگرام از هم تشخیص داد.
کاهش تفکیکپذیری
در شرایط بسیار خوب میتوان تفکیکپذیری را به حدود یک چهارم طول موج کاهش داد. واضح است که هر چقدر طول موج کوچکتر باشد و فرکانس بالاتر تفکیک پذیری مکانی اندازهگیری هم بالاتر خواهد بود. پیشتر بیان شد که فرکانس بالاتر موجب میشود عمق نفوذ کمتری داشته باشیم. بنابراین باید همواره در زمان برنامهریزی برای برداشت، آرایش بهینهای را بیابیم که عمق نفوذ احتمالی بالا را به همراه تفکیکپذیری بایی ساختارهای تحت الارضی برای ما به ارمغان بیاورد. بطور مثال اگر در پی بررسی ساختارهای عمیقتری باشیم رسیدن به عمق نفوذ بیشتر و تفکیک پذیری کمتر مورد نظر خواهند بود.
تفاوت تفکیک در خاک مرطوب و خشک
سرعت یک موج الکترومغناطیس در خاک مرطوب کُندتر از سرعت آن در خاک خشک است و این بدلیل تفاضل گذردهی نسبی آنهاست. این باعث می شود معمولاً ساختارها در خاک مرطوب بهتر از خاک خشک از هم تفکیک شوند. در مقابل میزان تضعیف سیگنال در مواد مرطوب بالاتر است و این معمولاً عمق نفوذ در این اندازهگیریها را کاهش میدهد.
جمعبندی
GPR یکی از متداولترین روشهای اندازهگیری ژئوفیزیکی کاربردی است. یکی از مزیتهای بزرگ آن کاربرد خوب آن در اغلب شرایط صحرایی است. اندازهگیریهای آفست مشترک نقطه میانی و چند کاناله سریع بوده و امکان کاوش کارآمد محدودههای بزرگی در مقیاسهایی از چند ده متر تا چند کیلومتر را فراهم میکنند. GPR بهترین تناسب را برای انجام اندازهگیریها در موادی کم اتلاف مانند ماسه و سنگریزه دارد زیرا امواج رادیویی براحتی در این مواد نفوذ میکنند. در خاکهای دانهریز مانند خاک رس یا در خاکهایی با رسانش الکتریکی بالا GPR کاربرد کمتری دارد، چرا که در این مواد سیگنالها بیش از اندازه تضعیف شدهاند.
سلام، خیلی عالی بود
با شرح کم، مطالب زیادی را شرح داده اید
سلام
خیلی مفید و البته کامل بود