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Georadar (Bodenradar)*

Georadar (Bodenradar)* Erzeugung und Messung hochfrequenter elektromagnetischer Wellen zur Erkundung des Untergrunds Reflexionsprinzip, Zero-Offset-Sektion Beispielanwendungen Theoretische Grundlagen von EM-Wellen Processing von Rohdaten Bestimmung von Geschwindigkeiten

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Georadar (Bodenradar)*

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Presentation Transcript

  1. Georadar (Bodenradar)* • Erzeugung und Messung hochfrequenter elektromagnetischer Wellen zur Erkundung des Untergrunds • Reflexionsprinzip, Zero-Offset-Sektion • Beispielanwendungen • Theoretische Grundlagen von EM-Wellen • Processing von Rohdaten • Bestimmung von Geschwindigkeiten *engl.: GPR – ground penetrating radar

  2. Reflexionsprinzip akustische Anwendungen 5 Tiefe [km] A, B, C: Münchberg Gneiss Complex 10 Sonographie Reflexionsseismik

  3. Reflexionsprinzip t = 0 Sendeantenne

  4. Reflexionsprinzip A(t) t = 0 Empfängerantenne t

  5. Reflexionsprinzip A(t) t

  6. Reflexionsprinzip A(t) Reflexion Transmission t

  7. Reflexionsprinzip A(t) t

  8. Reflexionsprinzip A(t) t

  9. Reflexionsprinzip A(t) Radargramm t

  10. Reflexionsprinzip x x Radargramm-sektion bzw. Zero-offset-sektion t

  11. Reflexionsprinzip Zero-offset Sektion

  12. Beispielanwendungen Einbauten Einbauten; 500 MHz

  13. Beispielanwendungen Archäoprospektion Archäologische Strukturen (Römischer Gutshof, Pfongau/Salzburg); 500 MHz

  14. Beispielanwendungen Antennen Ungeschirmte Antennen

  15. Beispielanwendungen Seetiefe Moorman and Michel, J Paleolimnology 1997 Seetiefe und Seesedimente; 100 MHz

  16. Beispielanwendungen Böden Parsekian et al.,JGR Biogeosciences 2011 Böden und Sedimente 1: Torfmächtigkeiten; 100 MHz

  17. Beispielanwendungen Sedimente Schluff Sand Sand Schluff gespannter Sandaquifer Bleibinhaus and Hilberg, GJI 2012 Böden und Sediment 2: Hydrogeologie Salzachtal; 25 MHz

  18. Beispielanwendungen Klüfte Green afterLowrie, 2007 Klüfte im Fels; 200 MHz

  19. Beispielanwendungen Gletschermächtigkeit km Ng and Conway, 2004 Fließstrukturen im stagnierten Kamb Eisstrom (Westantarktis); 2 MHz

  20. Theoretische Grundlagen Stoffgleichungen • Wovon hängt die Ausbreitung von EM-Wellen ab? • von der elektrischen Leitfähigkeit s : die den Stromfluss J beschreibt, der von einem elektrischen Feld E verursacht wird • von der elektrischen Permittivität e : die die elektrische Flussdichte D beschreibt, die von einem elektrischen Feld E verursacht wird • von der magnetischen Permeabilität m : die die magnetische Flussdichte B beschreibt, der von einem magnetischen Feld H verursacht wird Stoffgleichungen der Elektromagnetik

  21. Theoretische Grundlagen Maxwell-Gleichungen • Wovon hängt die Ausbreitung von EM-Wellen ab? • Maxwell-Gleichungen Bewegungsgleichungen der Elektromagnetik

  22. Theoretische Grundlagen Wellengleichung Wovon hängt die Ausbreitung von EM-Wellen ab? Maxwell-Gleichungen und Stoffgleichungen kombiniert: Dämpfungsterm (Induktion) Schwingungsterm (Wellenausbreitung) Wellengleichungen der Elektromagnetik

  23. Theoretische Grundlagen Low-loss Kriterium Wovon hängt die Ausbreitung von EM-Wellen ab? Betrachte Quotient aus Schwingungsterm und Dämpfungsterm: Kreisfrequenz Low-loss- bzw. Wellenregime Induktionsregime

  24. Theoretische Grundlagen EM-Spektrum l=c0/f Beachte: Der Übergang zum Wellenregime hängt von der Frequenz und von der Leitfähigkeit ab! Wellenregime Permittivität dominant Induktionsregime Leitfähigkeit dominant Lowrie, 2007

  25. Theoretische Grundlagen Materialkonstanten EM surveys *loss factor relevant compiled from and modified after Davis et al. [1989], Annan [2005], Cassidy [2009] and other sources Electrical properties of various materials

  26. Theoretische Grundlagen Geschwindigkeit Wie schnell sind EM-Wellen? Ohne Dämpfungsterm lautet die Wellengleichung Mit Lösungsansatz folgt Mit und Geschwindigkeit relativePermittivität Permittivitätdes Vakuums relativePermeabilität Permeabilitätdes Vakuums folgt für die Lichtgeschwindigkeit des Vakuums und in Materie bzw. für unmagnetische Materie

  27. Theoretische Grundlagen Geschwindigkeit EM surveys *loss factor relevant compiled from and modified after Davis et al. [1989], Annan [2005], Cassidy [2009] and other sources Electrical properties of various materials

  28. Theoretische Grundlagen Wellenlänge Wie lang sind EM-Wellen? Ohne Dämpfungsterm lautet die Wellengleichung Mit Lösungsansatz folgt • Die Wellenlänge ist also • Die Wellenlänge ist relevant für • das Auflösungsvermögen ≈ l/2 • den Punktabstand der Akquisition ≈ l/4 • die Eindringtiefe ≈ (5-20)l

  29. Theoretische Grundlagen Wellenlänge EM surveys *loss factor relevant compiled from and modified after Davis et al. [1989], Annan [2005], Cassidy [2009] and other sources Electrical properties of various materials

  30. Theoretische Grundlagen Reflexionskoeffizient Wodurch wird eine Reflexion verursacht? Durch eine Änderung der Wellenimpedanz Wenn die Leitfähigkeit keine Rolle spielt, gilt In der Praxis ist oft , so dass Bei senkrechtem Einfallen einer ebenen Welle auf eine Grenzfläche ergibt sich der Reflexionskoeffizient R der Welle zu bzw. mit obigen Näherungen zu Z1 Z2

  31. Theoretische Grundlagen Reflexionskoeffizient Einige Beispiele für Reflexionskoeffizienten bei senkrechtem Einfall Z1 Z2

  32. Processing • Rohdaten  Abbild des Untergrunds • De”wow” • Amplitudenausgleich • Dekonvolution • Tiefenkonversion • Höhenkorrektur • Migration

  33. Processing Amplitudenkorrektur Medium mitDämpfung Ri = const. geringer hoher Jol, 2009

  34. Processing Amplitudenkorrektur Spurnummer Spurnummer Spurnummer Zeit [ms] Rohdaten Amplituden-verstärkung + “dewow”

  35. Processing Tiefenkonversion Spurnummer 10 0.5 Radargramme werden in der Zeit aufgenommen: A(x,t) Konvertiere sie in Tiefe A(x,z)! t  z mittels t = 2 z / c bzw. z = c t / 2 c entweder messen, oder abschätzen c  0.1 m/ns 20 1 Tiefe [m] Zeit [ns] 30 1.5 40 2 50 2.5

  36. Processing Höhenkorrektur Jol, 2009

  37. Processing Migration after 1. geometrische Korrektur before 2. Entfernen vonDiffraktions- hyperbeln Jol, 2009

  38. Bestimmung von Geschwindigkeiten CMP-Messung CMP-Messung offset [m] Parsekian, 2011

  39. Bestimmung von Geschwindigkeiten Diffraktionshyperbeln Z2 Z1

  40. Bestimmung von Geschwindigkeiten Beispiel Geschwindigkeiten wurden hier mit dem sog. CRIM (complex refractive index model) in Gasgehalt umgerechnet (basierend auf emethan≈1). (n – Porosität, q – volumetrischer Wassergehalt,W – Wasser, B – Boden, M – Methan) Parsekian, 2011 Gasgehalt; 100 MHz

  41. Zusammenfassung • GPR ist (primär) ein Verfahren zur Strukturabbildung • GPR gut geeignet in Medien mit geringer Leitfähigkeit (Sande, trockne Sedimente/Böden, Gesteine) • GPR schlecht geeignet bei hoher Leitfähigkeit (Tone, je nach Salzgehalt wassergesättigte Sedimente/Böden) • guter Kontrast: Wasser/Sediment, Eis/Sediment, Sedimentschichten (insb. verschiedener Feuchtigkeit), Böden/Gestein, feuchtes Sediment/Gestein • extremer Kontrast: Metalle • Eindringtiefe im Normalfall < 50 m, auf Eis bis zu mehreren km • Abbilden komplexer Objekte in 3D

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