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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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Presentation Transcript
slide1

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

slide2

Reflexionsprinzip

akustische Anwendungen

5

Tiefe [km]

A, B, C: Münchberg Gneiss Complex

10

Sonographie

Reflexionsseismik

slide3

Reflexionsprinzip

t = 0

Sendeantenne

slide4

Reflexionsprinzip

A(t)

t = 0

Empfängerantenne

t

slide6

Reflexionsprinzip

A(t)

Reflexion

Transmission

t

slide9

Reflexionsprinzip

A(t)

Radargramm

t

slide10

Reflexionsprinzip

x

x

Radargramm-sektion

bzw.

Zero-offset-sektion

t

slide11

Reflexionsprinzip

Zero-offset Sektion

slide12

Beispielanwendungen

Einbauten

Einbauten; 500 MHz

slide13

Beispielanwendungen

Archäoprospektion

Archäologische Strukturen (Römischer Gutshof, Pfongau/Salzburg); 500 MHz

slide14

Beispielanwendungen

Antennen

Ungeschirmte Antennen

slide15

Beispielanwendungen

Seetiefe

Moorman and Michel, J Paleolimnology 1997

Seetiefe und Seesedimente; 100 MHz

slide16

Beispielanwendungen

Böden

Parsekian et al.,JGR Biogeosciences 2011

Böden und Sedimente 1: Torfmächtigkeiten; 100 MHz

slide17

Beispielanwendungen

Sedimente

Schluff

Sand

Sand

Schluff

gespannter Sandaquifer

Bleibinhaus and Hilberg, GJI 2012

Böden und Sediment 2: Hydrogeologie Salzachtal; 25 MHz

slide18

Beispielanwendungen

Klüfte

Green afterLowrie, 2007

Klüfte im Fels; 200 MHz

slide19

Beispielanwendungen

Gletschermächtigkeit

km

Ng and Conway, 2004

Fließstrukturen im stagnierten Kamb Eisstrom (Westantarktis); 2 MHz

slide20

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

slide21

Theoretische Grundlagen

Maxwell-Gleichungen

  • Wovon hängt die Ausbreitung von EM-Wellen ab?
  • Maxwell-Gleichungen

Bewegungsgleichungen der Elektromagnetik

slide22

Theoretische Grundlagen

Wellengleichung

Wovon hängt die Ausbreitung von EM-Wellen ab?

Maxwell-Gleichungen und Stoffgleichungen kombiniert:

Dämpfungsterm

(Induktion)

Schwingungsterm

(Wellenausbreitung)

Wellengleichungen der Elektromagnetik

slide23

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

slide24

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

slide25

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

slide26

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

slide27

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

slide28

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
slide29

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

slide30

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

slide31

Theoretische Grundlagen

Reflexionskoeffizient

Einige Beispiele für Reflexionskoeffizienten bei senkrechtem Einfall

Z1

Z2

slide32

Processing

  • Rohdaten  Abbild des Untergrunds
  • De”wow”
  • Amplitudenausgleich
  • Dekonvolution
  • Tiefenkonversion
  • Höhenkorrektur
  • Migration
slide33

Processing

Amplitudenkorrektur

Medium mitDämpfung

Ri = const.

geringer

hoher

Jol, 2009

slide34

Processing

Amplitudenkorrektur

Spurnummer

Spurnummer

Spurnummer

Zeit [ms]

Rohdaten

Amplituden-verstärkung

+ “dewow”

slide35

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

slide36

Processing

Höhenkorrektur

Jol, 2009

slide37

Processing

Migration

after

1. geometrische

Korrektur

before

2. Entfernen vonDiffraktions-

hyperbeln

Jol, 2009

slide38

Bestimmung von Geschwindigkeiten

CMP-Messung

CMP-Messung

offset [m]

Parsekian, 2011

slide39

Bestimmung von Geschwindigkeiten

Diffraktionshyperbeln

Z2

Z1

slide40

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

slide41

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