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.

 

رادارهای نفوذ به زمین یا GPR چیست

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.

 

ویدیو پییشنهادی : آموزش میکروکنترلر ARM
آموزش میکروکنترلر ARM

 

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:

  1. اکتشاف مواد معدنی فلزی و غیرفلزی( مگنتیت هماتیت پیروتیت ایلمنیت تیتانومگنتیت).
  2. حل ابهامات زمین شناسی مطالعه پوسته زمین و شناسایی تغییرات پی سنگ.
  3. مطالعه ساختارهای نفت و گاز تعیین محل شکستگی ها و گسل ها.
  4. مطالعات باستان شناسی
  5. مطالعات نظامی (شامل یافتن تونل‌های زیرزمینی مهمات مین و …)
  6. تخمين اهداف قرار گرفته در محيط هاي ناهمگن.
  7. 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.

شکل ‏1 نمونه رادار GPR 500 مگاهرتز

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.

 

شکل ‏2 اصول اندازه­گیری رادار GPR

 

 

شکل 3 مسیرهای سیر مختلف امواج GPR در یک خاک دو لایه

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.

شکل ‏4 رد GPR

 

شکل ‏5 منشأ یک رادارگرام. دامنه‌هایی که از یک مقدار مثبت یا منفی از پیش تعریف شده فراتر روند به صورت رنگی نمایش داده می‌شوند. در این نمونه دامنه‌های منفی به رنگ ابی و دامنه مثبت به رنگ قرمز نمایش داده شده اند؛ b ) رادارگرام نمونه.

 

شکل ‏6 ساخت و ابعاد یک جعبه آنتن  300MHz

 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)

 

شکل ‏7 چیدمان روش آفست مشترک

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 8نقطه میانی

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.

 

شکل ‏10 بازتاب و انکسار زاویه باز

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)

 

شکل ‏11 سیستم چند کاناله

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.

 

شکل ‏12 نمونه آزمایشگاهی رادار GPR

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.

شکل 13 نمودار اتلاف بازگشتی برحسب میزان رطوبت خاک

 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.