Radar de penetração no solo - Ground-penetrating radar

Um radargrama de penetração no solo coletado em um cemitério histórico no Alabama , EUA . Chegadas hiperbólicas (setas) indicam a presença de difratores enterrados abaixo da superfície, possivelmente associados a sepultamentos humanos. Os reflexos da estratificação do solo também estão presentes (linhas tracejadas).

O radar de penetração no solo ( GPR ) é um método geofísico que usa pulsos de radar para obter imagens da subsuperfície. É um método não invasivo de levantamento da subsuperfície para investigar utilidades subterrâneas, como concreto, asfalto, metais, tubos, cabos ou alvenaria. Este método não destrutivo usa radiação eletromagnética na banda de microondas ( frequências UHF / VHF ) do espectro de rádio e detecta os sinais refletidos de estruturas subterrâneas. O GPR pode ter aplicações em uma variedade de meios, incluindo rocha, solo, gelo, água doce, pavimentos e estruturas. Nas condições certas, os profissionais podem usar o GPR para detectar objetos do subsolo, mudanças nas propriedades do material e vazios e rachaduras.

O GPR usa ondas de rádio de alta frequência (geralmente polarizadas), geralmente na faixa de 10 MHz a 2,6 GHz. Um transmissor GPR e uma antena emitem energia eletromagnética para o solo. Quando a energia encontra um objeto enterrado ou uma fronteira entre materiais com diferentes permissividades , ela pode ser refletida ou refratada ou espalhada de volta para a superfície. Uma antena receptora pode então registrar as variações no sinal de retorno. Os princípios envolvidos são semelhantes à sismologia , exceto que os métodos GPR implementam energia eletromagnética em vez de energia acústica , e a energia pode ser refletida em limites onde as propriedades elétricas do subsolo mudam em vez das propriedades mecânicas do subsolo, como é o caso da energia sísmica.

A condutividade elétrica do solo, a frequência central transmitida e a potência irradiada podem limitar a faixa de profundidade efetiva da investigação GPR. Aumentos na condutividade elétrica atenuam a onda eletromagnética introduzida e, portanto, a profundidade de penetração diminui. Por causa dos mecanismos de atenuação dependentes da frequência, as frequências mais altas não penetram tanto quanto as frequências mais baixas. No entanto, frequências mais altas podem fornecer resolução melhorada . Portanto, a frequência de operação é sempre uma compensação entre resolução e penetração. A profundidade ideal de penetração subsuperficial é alcançada no gelo, onde a profundidade de penetração pode atingir vários milhares de metros (para o alicerce na Groenlândia) em baixas frequências GPR. Solos arenosos secos ou materiais secos maciços como granito , calcário e concreto tendem a ser resistentes em vez de condutores, e a profundidade de penetração pode ser de até 15 metros (49 pés). No entanto, em solos úmidos ou carregados de argila e materiais com alta condutividade elétrica, a penetração pode ser de apenas alguns centímetros.

As antenas de radar de penetração no solo geralmente estão em contato com o solo para obter a intensidade de sinal mais forte; entretanto, antenas GPR lançadas do ar podem ser usadas acima do solo.

O furo transversal GPR desenvolveu-se no campo da hidrogeofísica para ser um meio valioso de avaliar a presença e a quantidade de água no solo .

História

A primeira patente para um sistema projetado para usar radar de onda contínua para localizar objetos enterrados foi apresentada por Gotthelf Leimbach e Heinrich Löwy em 1910, seis anos após a primeira patente do próprio radar (patente DE 237 944). Uma patente para um sistema que usa pulsos de radar em vez de uma onda contínua foi registrada em 1926 pelo Dr. Hülsenbeck (DE 489 434), levando a uma melhor resolução de profundidade. A profundidade de uma geleira foi medida usando radar de penetração no solo em 1929 por W. Stern.

Outros desenvolvimentos no campo permaneceram esparsos até a década de 1970, quando as aplicações militares começaram a impulsionar as pesquisas. Seguiram-se aplicações comerciais e o primeiro equipamento de consumo acessível foi vendido em 1975.

Em 1972, a missão Apollo 17 carregava um radar de penetração no solo chamado ALSE (Apollo Lunar Sounder Experiment) em órbita ao redor da lua. Foi capaz de registrar informações de profundidade de até 1,3 km e gravar os resultados em filme devido à falta de armazenamento adequado de computador na época.

Formulários

Radar de penetração no solo em uso perto de Stillwater, Oklahoma, EUA em 2010
Pesquisa de radar de penetração no solo de um sítio arqueológico na Jordânia

O GPR tem muitas aplicações em vários campos. Nas ciências da Terra , é usado para estudar rochas , solos, águas subterrâneas e gelo . É de alguma utilidade na prospecção de pepitas de ouro e diamantes em leitos de cascalho aluviais, ao encontrar armadilhas naturais em leitos de córregos enterrados que têm o potencial de acumular partículas mais pesadas. O rover lunar chinês Yutu tem um GPR em sua parte inferior para investigar o solo e a crosta lunar.

As aplicações de engenharia incluem testes não destrutivos (NDT) de estruturas e pavimentos, localização de estruturas enterradas e linhas de serviços públicos e estudo de solos e rochas. Na remediação ambiental , o GPR é usado para definir aterros, plumas de contaminantes e outros locais de remediação, enquanto na arqueologia é usado para mapear feições arqueológicas e cemitérios. O GPR é usado na aplicação da lei para localizar sepulturas clandestinas e evidências enterradas. Os usos militares incluem a detecção de minas, munições não detonadas e túneis.

Radares de poço que utilizam GPR são usados ​​para mapear as estruturas de um poço em aplicações de mineração subterrânea. Os sistemas de radar de poço direcional modernos são capazes de produzir imagens tridimensionais a partir de medições em um único poço.

Uma das outras aplicações principais dos radares de penetração no solo é a localização de utilidades subterrâneas. As ferramentas de localização de utilitários de indução eletromagnética padrão exigem que os utilitários sejam condutores. Essas ferramentas são ineficazes para localizar conduítes de plástico ou tempestade de concreto e esgotos sanitários. Uma vez que o GPR detecta variações nas propriedades dielétricas no subsolo, ele pode ser altamente eficaz para localizar utilidades não condutoras.

O GPR era frequentemente usado no programa de televisão Time Team do Canal 4 , que usava a tecnologia para determinar uma área adequada para exame por meio de escavações. O GPR também foi usado para recuperar £ 150.000 em resgate em dinheiro que Michael Sams enterrou em um campo, após o sequestro de um agente imobiliário em 1992.

Militares

As aplicações militares do radar de penetração no solo incluem a detecção de munições não detonadas e a detecção de túneis. Em aplicações militares e outras aplicações GPR comuns, os médicos costumam usar GPR em conjunto com outras técnicas geofísicas disponíveis, como resistividade elétrica e métodos de indução eletromagnética .

Em maio de 2020, os militares dos EUA encomendaram um sistema de radar de penetração no solo da Chemring Sensors and Electronics Systems (CSES), para detectar dispositivos explosivos improvisados (IEDs) enterrados em estradas, em um negócio de US $ 200,2 milhões.

Localização de veículos

Uma nova abordagem recente para localização de veículos usando imagens anteriores baseadas em mapas de radar de penetração no solo foi demonstrada. Denominado "Localizing Ground Penetrating Radar" (LGPR), as precisões de nível centimétrico em velocidades de até 60 mph foram demonstradas. A operação em circuito fechado foi demonstrada pela primeira vez em 2012 para direção de veículos autônomos e em campo para operação militar em 2013. A localização em nível centimétrico de velocidade de rodovia durante uma tempestade de neve noturna foi demonstrada em 2016.

Arqueologia

A pesquisa por radar de penetração no solo é um método usado em geofísica arqueológica . O GPR pode ser usado para detectar e mapear artefatos arqueológicos de subsuperfície , recursos e padrões.

Fatias de profundidade GPR mostrando uma cripta em um cemitério histórico. Esses mapas planview mostram estruturas de subsuperfície em diferentes profundidades. Sessenta linhas de dados - individualmente representando perfis verticais - foram coletados e montados como uma matriz de dados tridimensional que pode ser "fatiada" horizontalmente em diferentes profundidades.)
Seção de profundidade GPR (perfil) mostrando uma única linha de dados do levantamento da cripta histórica mostrada acima. O teto abobadado da cripta pode ser visto entre 1 e 2,5 metros abaixo da superfície.

O conceito de radar é conhecido pela maioria das pessoas. Com o radar de penetração no solo, o sinal do radar - um pulso eletromagnético - é direcionado ao solo. Objetos de subsuperfície e estratigrafia (camadas) causarão reflexos que são captados por um receptor. O tempo de viagem do sinal refletido indica a profundidade. Os dados podem ser plotados como perfis, como mapas planview isolando profundidades específicas ou como modelos tridimensionais.

O GPR pode ser uma ferramenta poderosa em condições favoráveis ​​(solos arenosos uniformes são ideais). Como outros métodos geofísicos usados ​​em arqueologia (e ao contrário da escavação), ele pode localizar artefatos e mapear características sem qualquer risco de danificá-los. Entre os métodos usados ​​na geofísica arqueológica, é único em sua capacidade de detectar alguns objetos pequenos em profundidades relativamente grandes e em sua capacidade de distinguir a profundidade das fontes de anomalias.

A principal desvantagem do GPR é que ele é severamente limitado por condições ambientais abaixo do ideal. Sedimentos de granulação fina (argilas e sedimentos) são freqüentemente problemáticos porque sua alta condutividade elétrica causa perda de intensidade do sinal; sedimentos rochosos ou heterogêneos espalham o sinal GPR, enfraquecendo o sinal útil e aumentando o ruído estranho.

No campo do patrimônio cultural, o GPR com antena de alta frequência também é utilizado para a investigação de estruturas históricas de alvenaria, detectando fissuras e padrões de decadência de colunas e destacamento de afrescos.

Cemitérios

O GPR é usado por criminologistas, historiadores e arqueólogos para pesquisar locais de sepultamento. Em sua publicação, Interpreting Ground-penetrating Radar for Archaeology , Lawrence Conyers, que é "um dos primeiros especialistas em arqueologia em GPR", descreveu o processo. Conyers publicou pesquisas usando GPR em El Salvador em 1996, no período Chaco da região de Four Corners no sul do Arizona em 1997 e em um sítio medieval na Irlanda em 2018. Informado pela pesquisa de Conyer, o Instituto de Prairie e Arqueologia Indígena da Universidade de Alberta , em colaboração com o National Centre for Truth and Reconciliation , tem usado o GPR em sua pesquisa sobre escolas residenciais indianas no Canadá . Em junho de 2021, o Instituto havia usado o GPR para localizar túmulos suspeitos em áreas próximas a cemitérios históricos e escolas residenciais indígenas. Em 27 de maio de 2021, foi relatado que os restos mortais de 215 crianças foram encontrados usando GPR em um cemitério na Kamloops Indian Residential School em Tk'emlúps te Secwépemc First Nation land na British Columbia. Em junho de 2021, a tecnologia GPR foi usada pela Cowessess First Nation em Saskatchewan para localizar 751 túmulos não marcados no local da Escola Residencial Indígena Marieval , que estava em operação por um século até ser fechada em 1996.

Os avanços na tecnologia GPR integrados com várias plataformas de modelagem de software 3D, geram reconstruções tridimensionais de "formas de subsuperfície e suas relações espaciais". Em 2021, isso "emergirá como o novo padrão".

Imagem tridimensional

Linhas individuais de dados GPR representam uma vista seccional (perfil) da subsuperfície. Várias linhas de dados coletados sistematicamente sobre uma área podem ser usadas para construir imagens tridimensionais ou tomográficas . Os dados podem ser apresentados como blocos tridimensionais ou como fatias horizontais ou verticais. Fatias horizontais (conhecidas como "fatias de profundidade" ou "fatias de tempo") são essencialmente mapas planview que isolam profundidades específicas. A divisão do tempo tornou-se uma prática padrão em aplicações arqueológicas , porque a padronização horizontal costuma ser o indicador mais importante das atividades culturais.

Limitações

A limitação de desempenho mais significativa do GPR está em materiais de alta condutividade, como solos argilosos e solos contaminados com sal. O desempenho também é limitado pela dispersão do sinal em condições heterogêneas (por exemplo, solos rochosos).

Outras desvantagens dos sistemas GPR disponíveis atualmente incluem:

  • A interpretação de radar-gramas geralmente não é intuitiva para o novato.
  • É necessária uma experiência considerável para projetar, conduzir e interpretar pesquisas GPR de maneira eficaz.
  • O consumo de energia relativamente alto pode ser problemático para pesquisas de campo extensas.

O radar é sensível a mudanças na composição do material, detectar mudanças requer movimento. Ao olhar através de itens estacionários usando radar de penetração na superfície ou no solo, o equipamento precisa ser movido para que o radar examine a área especificada procurando por diferenças na composição do material. Embora possa identificar itens como canos, vazios e solo, ele não pode identificar os materiais específicos, como ouro e pedras preciosas. No entanto, pode ser útil para fornecer mapeamento de subsuperfície de bolsões portadores de gemas em potencial, ou "vugs". As leituras podem ser confundidas pela umidade no solo, e eles não podem separar os bolsos contendo gemas daqueles sem gemas.

Ao determinar as capacidades de profundidade, a faixa de frequência da antena determina o tamanho da antena e a capacidade de profundidade. O espaçamento da grade que é verificado é baseado no tamanho dos alvos que precisam ser identificados e nos resultados exigidos. Os espaçamentos de grade típicos podem ser de 1 metro, 3 pés, 5 pés, 10 pés, 20 pés para levantamentos de solo e para paredes e pisos 1 polegada – 1 pé.

A velocidade com que um sinal de radar viaja depende da composição do material que está sendo penetrado. A profundidade de um alvo é determinada com base na quantidade de tempo que leva para o sinal do radar refletir de volta para a antena da unidade. Os sinais de radar viajam em velocidades diferentes através de diferentes tipos de materiais. É possível usar a profundidade de um objeto conhecido para determinar uma velocidade específica e então calibrar os cálculos de profundidade.

Regulação de energia

Em 2005, o European Telecommunications Standards Institute introduziu legislação para regulamentar os equipamentos GPR e os operadores GPR para controlar as emissões excessivas de radiação eletromagnética. A European GPR Association (EuroGPR) foi formada como uma associação comercial para representar e proteger o uso legítimo do GPR na Europa.

Tecnologias semelhantes

O radar de penetração no solo usa uma variedade de tecnologias para gerar o sinal de radar: impulso, frequência escalonada, onda contínua modulada por frequência ( FMCW ) e ruído. Os sistemas no mercado em 2009 também usam processamento digital de sinais (DSP) para processar os dados durante o trabalho de pesquisa, em vez de off-line.

Um tipo especial de GPR usa sinais de onda contínua não modulados. Este radar holográfico de subsuperfície difere de outros tipos de GPR porque registra hologramas de subsuperfície em planta. A penetração em profundidade deste tipo de radar é bastante pequena (20-30 cm), mas a resolução lateral é suficiente para discriminar diferentes tipos de minas terrestres no solo, ou cavidades, defeitos, dispositivos de escuta ou outros objetos ocultos em paredes, pisos e elementos estruturais.

O GPR é usado em veículos para levantamento de estradas em alta velocidade e detecção de minas terrestres, bem como no modo stand-off.

In Pipe-Penetrating Radar (IPPR) e In Sewer GPR (ISGPR) são aplicações de tecnologias GPR aplicadas em tubos não metálicos onde os sinais são direcionados através das paredes dos tubos e conduítes para detectar a espessura das paredes dos tubos e vazios atrás das paredes dos tubos.

O radar de penetração na parede pode ler através de estruturas não metálicas, conforme demonstrado pela primeira vez pela ASIO e a Polícia Australiana em 1984, durante a pesquisa de uma ex -embaixada russa em Canberra . A polícia mostrou como observar as pessoas até duas salas de distância lateralmente e através dos andares verticalmente, podia ver protuberâncias de metal que podem ser armas; O GPR pode até funcionar como um sensor de movimento para guardas militares e policiais.

A SewerVUE Technology, uma empresa de avaliação avançada das condições do tubo, utiliza o Pipe Penetrating Radar (PPR) como uma aplicação GPR no tubo para ver a espessura restante da parede, cobertura do vergalhão, delaminação e detectar a presença de vazios se desenvolvendo fora do tubo.

A EU Detect Force Technology, uma empresa de pesquisa avançada de solo, utiliza o projeto X6 Plus Grounding Radar (XGR) como um aplicativo GPR híbrido para detecção de minas militares e também detecção de bomba policial.

O "Projeto Mineseeker" busca projetar um sistema para determinar se as minas terrestres estão presentes em áreas que usam unidades de radar de abertura sintética de banda ultra larga montadas em dirigíveis .

Referências

Leitura adicional

Uma visão geral das aplicações científicas e de engenharia pode ser encontrada em:

  • Jol, HM, ed. (2008). Teoria e aplicações do radar de penetração no solo . Elsevier.
  • Persico, Raffaele (2014). Introdução ao radar de penetração no solo: espalhamento inverso e processamento de dados . John Wiley & Sons.

Uma visão geral dos métodos geofísicos em arqueologia pode ser encontrada nos seguintes trabalhos:

  • Clark, Anthony J. (1996). Vendo abaixo do solo. Métodos de Prospecção em Arqueologia . Londres, Reino Unido: BT Batsford Ltd.
  • Conyers, Lawrence B; Goodman, Dean (1997). Radar de penetração no solo: uma introdução para arqueólogos . Walnut Creek, CA: AltaMira Press. ISBN 978-0-7619-8927-1. OCLC  36817059 .
  • Gaffney, Chris; John Gater (2003). Revelando o passado enterrado: Geofísica para arqueólogos . Stroud, Reino Unido: Tempus.

links externos