GPR
Yeraltı Radarı ya da genel adıyla GPR (Ground Penetrating Radar), yeraltının sığ tabakalarının (ilk 0-40 metre) araştırılmasında kullanılan jeofizik bilimi tabanlı bir ölçüm cihazıdır.
Son otuz yıl içerisinde elektronik endüstrisinde yaşanılan olağanüstü gelişmeler, bir zamanlar zahmetli ve pahalı bir iş olan ışık hızı ölçümlerini son derece ucuz, kolay ve duyarlı bir şekle dönüştürmüştür. 1970’lı yıllarda milisaniye (10−3 s) duyarlıkla yapılan zaman ölçümleri, 1980’li yıllarda mikro saniye (10−6 s), 1990’lı yıllarda ise nano saniyeye (10−9 s) duyarlığa kadar inmiştir. Elektronikteki bu gelişmelere paralel olarak, yeraltında ışık hızına yakın bir süratle hareket eden elektromanyetik dalgaların yolculuk sürelerinin nano saniye mertebesinde ölçülebilmesi, sığ jeofizik görüntüleme yöntemlerine önemli katkılarda bulunmuştur. Yer radarı yukarıda söz edilen bu gelişmelerin somut bir sonucudur.
Yöntem, yatay doğrultuda elektrik alan vektörü olan (TE: Transvers Elektrik) bir verici anten aracılığı ile yer içine gönderilen çok yüksek frekanslı EM dalgalarının (radyo dalgaları) ara yüzeylerden yansımasının (echoes) gözlemlenmesi ilkesine dayanmaktadır. Yeraltında, her iki tarafı farklı dielektrik özellikte kayaçlardan oluşan bir ara yüzey varsa, elektromanyetik dalga bu ara yüzeyde yansıma ve iletime uğrayacaktır. Dalga şekli olarak sürekli veya Chirp adı da verilen birkaç nano saniye süreli elektromanyetik imler kullanılır. Kaynak dalgası için seçilen bir merkezi frekansın %50 altı ve üstü aralığındaki frekanslar kullanılır. Örnek olarak 100 Mhz merkez frekanslı kaynakta 50 MHz den 150 Mhz e kadar bir aralık kullanılır. Yer radarı (Ground Penetrating Radar, GPR) ilk önce buz kalınlığının ölçülebilmesi için geliştirilmiştir. Normal yer ortamında yapılan çalışmalarda elde edilen verilerin sismik yöntemlerde kullanılan veri işlem teknikleri ile işlenmesi sonucunda 10 – 20 m gibi araştırma derinliğine ulaşıldığı görülmüştür. Günümüzde ise GPR yöntemi sığ yer araştırmaları ile arkeometri çalışmalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Kullanım yerlerine örnekler aşağıdaki gibi verilebilir :
- Yer araştırmaları: Yol, havaalanı, baraj, su kanalı, santral, yerleşim alanı yer araştırmaları,
- Tünel Araştırmaları: Demiryolu, karayolu, su tünelleri, tüp geçitler, maden galerisi araştırmaları,
- Yapı Araştırmaları: Tavan, taban ve duvarların incelenmesi, restorasyon amaçlı araştırmalar,
- Arkeojeofizik Araştırmaları: Antik şehir, tapınak, mezar, duvar, temel, dehliz ve benzeri tarihi kalıntıların bulunması,
- Endüstriyel atık, sızıntı ve çevre kirlenmesinin araştırılması: Eski veya kaydı bulunmayan endüstriyel atık alanlarının bulunması, fabrika, akaryakıt istasyonu, su yolu vb. kaçak ve sızıntılarının belirlenmesi, çöp boşaltım alanlarının yer araştırmaları,
- Eski veya kaydı bulunmayan şehir altyapılarının araştırılması: Eski kanalizasyon, su yolu, kanal, boru, sığınak, elektrik ve telefon hatlarının bulunması,
- Adli ve Adli Tıp: Cezaevi firar tünellerinin tespiti, ceset ve toplu mezarların yerlerinin bulunması,
- Yeryüzü ve galerilerde maden Araştırmaları: Yüzeye yakın (40 metreye kadar) madenlerin aranması ve rezerv geliştirme, galeri sürülerek yapılan maden (kömür) araştırmaları, göçük ve maden kazalarında ilk yardım amaçlı çalışmalar.
GPR Kuramı
Bağıl permittivite K, sığalara ait dielektrik sabiti ile eşanlamlıdır. Bir sığaya ait dielektrik sabitinin büyümesi, o sığanın kutuplanma yolu ile daha çok elektromanyetik enerji biriktirebilmesi anlamına gelir. Bir maddenin yapısını oluşturan nötr durumdaki moleküller, üzerlerinden geçen elektromanyetik dalganın etkisi altında kutuplanırlar ve içerilerine elektromanyetik enerji depolarlar. Bunun hemen ardından söz konusu enerjiyi tekrar elektromanyetik dalga olarak geri verirler. Elektromanyetik dalga madde içerisinde bir molekülden diğerine bu şekilde ilerler. Olay bu açıdan sismik dalgaların madde içindeki ilerlemesine çok benzemektedir. Fakat elektromanyetik dalgalar madde olmaksızın uzay boşluğunda da ilerleyebilirler. Sismik dalgaların ilerleyebilmesi için ortamın maddeden oluşması şarttır (Sismik yansıma katsayısının tanımındaki yoğunluk parametresinin nedeni). Yere gönderilen elektromanyetik sinyal harmonik bir yapıda olup etken bir frekans içermektedir. Bu frekansın değeri nüfüz derinliğini, soğrulma miktarını ve saçılma derecesini belirler. Söz konusu frekans 10 MHz den küçük olduğunda, nüfüz derinliği artarken iki olumsuz durumla karşılaşılır:
- düşen frekansla birlikte düşey çözünürlüğün azalması,
- düşük frekanslarda madde içerisindeki kutuplanabilir unsurların kutuplgtanmak yerine asıl konumlarını terk ederek elektrik iletkenliğe (akım) neden olmaları.
Düşük frekanslarda elektromanyetik enerjinin elektrik iletkenliğe dönüşmesi soğurulmanın başlıca nedenidir. 300 MHz den yüksek frekanslarda ise madde içerisindeki kutuplanabilir unsurlar asıl yerlerini terk etmete fırsat bulamayacaklarından elektrik iletkenliğin neden olduğu soğurulmadan etkilenmeyeceklerdir. Bununla beraber yüksek frekanslarda bir etki-tepki gecikmesi sorunu yaşanacak, bunun sonucu artan frekansla birlikte bağıl permittivitede frekans bağımlı bir azalma söz konusu olacaktır. Öte yandan frekans arttıkça düşey çözünürlükte bir iyileşme olurken, bu kez nüfüz derinliği azalmaktadır. Yüksek frekanslar yer radarı kesitlerinde fazla sayıda saçılma hiperbolünün de ortaya çıkmasına neden olmaktadır.
Yukarıda yapılan tartışmalardan anlaşılacağı üzere, yeraltı ne kadar dirençli (az iletken) ise, yer radarı görüntüleri o kadar kaliteli olmaktadır. Nüfuz derinliğinin önemli olduğu durumlarda, ortamın mümkün olduğunca kuru (rutubetsiz) olması gerekmektedir. Elektromanyetik dalgalar yeraltı su seviyesine ulaştıklarında göreceli olarak daha iletken bir ortama girmektedirler. Bu söz konusu ıslak seviyede, hem önemli bir bağıl permittivite farklılaşması (kontrastı) oluşmakta, hem de elektrik iletkenliğin bu seviyedeki ani artışı nedeniyle, yansıyarak yeryüzüne gelen elektromanyetik imin genliğinde ve yüksek frekans içeriğinde soğrulmaya bağlı olarak önemli azalmalar görülmektedir. Bunun sonucu olarak yer radarı kesitlerinde, yeraltı su seviyesinden itibaren derinlere doğru inildikçe, soğrulmaya bağlı olarak genlik ve yüksek frekanslar azalmakta, kesitte yeraltı su seviyesinin altındaki bölümlerde enerji ‘süpürülmüş’ bir görünüm sunmaktadır.
Arazide Ölçüm ve Veri Sunumu
Basit olarak GPR dizgesi :
- Bilgisayar,
- Kayıt aygıtı CU (Control unit),
- Alıcı ve verici, Antenlerden oluşur.
CU yardımıyla kullanılan frekans, ölçümün yapılacağı zaman pencereleri (windows) yığma yapılacak iz sayısı vb. koşullar ayarlanır. Ölçümlerde kullanılan frekans değerleri 25 ile 3000 MHz arasındadır.
Kayıt pencereleri 32-2448 ns arasında olabilir ve 2049 ize kadar yığma yapılabilir. CRU olarak uygun bir PC ya da diz üstü bilgisayar kullanılmaktadır. Böylece birçok veri-işlem aşaması arazi koşullarında da yapılabilmektedir. Antenler ayrı ayrı olabildiği gibi tek bir parça içinde de yer alabilirler.
Anten aralıklarının sabit tutulma koşuluna rağmen antenler arası mesafe kullanılan frekans, çevre koşulları ve anten boyutlarına bağlı olarak seçilmelidir. Tek parça anten sistemleri ise sürekli kayıt (continious profiling ) olanağı sağladığından bazı koşullarda daha yararlı olabilir. Fiziksel olarak antenler kullanıldıkları frekansa bağlı olarak değişik ölçülerde yapılırlar.
Antenlerde yayınım silindirik bakışımlı ve anten ekseninde sıfır şiddetindedir. Bu basit şekil arazi koşullarında değişebilmektedir. Ortamdaki özdirenç ve dielektrik sabitine bağlı olarak enerjinin tepe değerleri yüzeye belli bir açı ile oluşabilmektedir.
GPR çalışmalarında frekans anten aralığı, durak aralığı, kayıt uzunluğu ve örnekleme aralığı araştırma amacına göre belirlenmesi gereken değiştirgelerdir.
En önemli değişkendir ve birçok değişkeninde belirlenmesinde rol oynar. Eğer d derinlik çözünürlüğü alınırsa uygun frekans
f = 150 / d √ε MHz
ile bulunur. Burada derinlik çözünürlüğü hedeflenen derinliğin %25 i olarak alınır. Çözünürlük ölçütü ve nüfus derinliği koşulları genelde karmaşa yaratır. Uygulamada buna dikkat edilmelidir. Çözünürlük durak aralığından da etkilenir. Eğer sabit aralıklı hatlarda iki durak arası uzaklık, dalga boyunun ¼ ünden daha büyük ise kuramsal olarak tanımlanabilecek hedefler belirlenemez. Bu koşul yaklaşık olarak
Dx= 75/ f √ε (m)
ile verilebilir. Diğer bir yaklaşımla her iki işlemden Dx in en fazla araştırma derinliğinin 1/8 i kadar veya daha az olması gerektiği görülebilir. Anten dizilimleri genelde yan yana olarak yapılmasına rağmen uygulamada uç uca dizgelerde kullanılır. Jeolojik uzanım bilindiği durumlarda antenler yapıya paralel olarak tutulmalıdır. Uygulamalarda anten aralığı araştırma derinliğinin 1/5 veya daha azı alındığında iyi sonuç verdiği görülmüştür. Derinliğe bağlı olarak ampirik bağıntı ise
Danten = (2 derinlik)/ √(ε-1) (m)
İle verilir. Örnekleme frekansının seçiminde örnekleme kuramı göz önünde tutulmalıdır. GPR da kullanılan en yüksek frekans merkezi frekansın 1.5 katı olduğuna göre örnekleme aralığı merkezi frekansın en az 3 katı olmalıdır. Sağlıklı ölçüm için 2 katsayısının da kullanımı önerilir. Bu durumda 100 MHz merkezi frekansta örnekleme aralığı
∆f = 100x 3x 2 =600 MHz
ve
∆t = 1.67 nsn
bulunur.
Veri İşlem Teknikleri ve Veri Sunumu
GPR verisi sayısal olarak kayıt edilir ve çok fazla veri- işlem gerektirir. Yüksek tekrarlanma oranı yardımı ile istenilen sayıda im elde edilip yığma yapılabilir. Yığma sayısına arazi koşullarında karar verilir. Yığma işleminden sonra alçak geçişli süzgeçler yardımı ile uyartım (inductive) etkiler, yüksek geçişli süzgeçler ile de gürültüler veriden ayıklanır. İm genliğinde zamana bağlı gelişen sönümlenme zaman – değişkenli (time –variant) veri-işlem yapılarak giderilir. Birçok veri-işlem aşaması arazi koşullarında yapılabildiği halde veriler genelde ham olarak saklanır. Veri işleme arazi çalışmalarının sonrasında yapılır.
Günümüzde sismik yorumda kullanılan birçok veri işlem yöntemi hemen hemen hiç değişmeden GPR sonuçlarının yorumunda da kullanılmaktadır. GPR izi eş aralıklı sayısal değerler olarak kayıt edilir. GPR kesitleri, her bir izin yan yana çizilmesi ile elde edilir. Bu durumda yatay eksen uzaklık, düşey eksen ise gidiş geliş zamanıdır. Düşeyde kullanılan birim nano saniyedir. Bu da kesitin sismikte kullanılan ses dalgasından değil de radar tarafından üretildiğini gösterir.
Elde edilen radar verileri sismik yönteme benzer olarak kesitler olarak sunulur. Eğer birbirine paralel ölçüm hatları varsa zaman seviye haritaları yapılabilir. Belli bir zaman değeri için bütün ölçümlerden genlik değerleri çıkartılır ve harita üzerindeki ölçüm noktalarına işlenir.