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What is GPR?

Ground penetrating radar

Radarprozessor
und Display
Batterie
Gehäuse für
Sender,
Empfänger und
Antennen
Wegsensor

Bild 1: Ground penetrating Radar in Aktion,
© 2010 Swedish History Museum, Stockholm

Radarprozessor
und Display
Batterie
Gehäuse für
Sender, Empfänger
und Antennen
Wegsensor

Bild 1: Ground penetrating Radar in Aktion,
© 2010 Swedish History Museum, Stockholm

Inhaltsverzeichnis « GPR »
  1. Arbeitsprinzip
  2. Radarsignalverarbeitung
  3. Impulsabstrahlende Antennen
  4. Anwendungen
“Mexican Hat”
wavelet

Bild 2: Die verwendete Mittenfrequenz ist immer ein Kompromiss zwischen Eindringtiefe und dem Auflösungsvermögen

“Mexican Hat”
wavelet

Bild 2: Die verwendete Mittenfrequenz ist immer ein Kompromiss zwischen Eindringtiefe und dem Auflösungsvermögen

Ground penetrating radar

Das Ground Penetrating Radar (GPR) (Deutsch: Bodenradar) ist eine geophysikalische Untersuchungs­methode um in einer optisch nicht durchsichtigen Struktur (zum Beispiel Erdreich, Beton, Mauerwerk, Asphalt, Stein, Holz oder Eis) vergrabene oder verdeckte Objekte oder Schichten zu lokalisieren und zu kartografieren. Diese zerstörungsfreie Untersuchungsmethode wird seit den 1970er Jahren für Untersuchungen der Umwelt, im Maschinenbau, in der Archäologie angewendet. GPR ist ein erfolgreiches Beispiel für die Anwendung als ultrawideband Radar. Ein typisches Bodenradar mit einer Eindringtiefe von bis zu einem Meter könnte im Frequenzbereich von 300 MHz bis 3 300 MHz arbeiten. Es erlaubt schnellere, einfachere und billigere Untersuchungen als andere Untersuchungsmethoden. Die Strahlungsdichte ist absolut ungefährlich. Die typische durchschnittliche Sendeleistung liegt im Bereich von wenigen Milliwatt.

Arbeitsprinzip

Ein Bodenradar nutzt elektromagnetische Energie, um Informationen über den Untergrund zu erhalten. Die Energie wird abwärtsgerichtet in den Boden abgestrahlt und an Inhomogenitäten und Grenzschichten mit unterschiedlicher Leitfähigkeit zurück zum Empfänger reflektiert. Aus der Laufzeit zwischen dem Sendesignal und dem Echosignal kann die Tiefe dieser Inhomogenität errechnet werden. Abhängig vom Radartyp und den Ausbreitungsbedingungen ist Bodenradar in der Lage, bis in mehrere zehn Meter Tiefe einen Querschnitt des Untergrundes abzubilden.

Ground Penetrating Radar
Time Domain
Frequenzbereich
Basisbandimpuls
Rauschmoduliert
FMCW
SFCW
Ground Penetrating Radar
Zeitbereich
Frequenzbereich
Basisbandimpuls
Rauschmoduliert
FMCW
SFCW
Ground Penetrating Radar
Zeitbereich
Frequenzbereich
Basisbandimpuls
Rauschmoduliert
FMCW
SFCW
(interaktives Bild)

Technisch können Bodenradargeräte in zwei unterschiedliche Klassen eingeteilt werden. Wenn das Bodenradar ein pulsförmiges Signal aussendet, dann wird es Impulsradar genannt. Diese Radargeräte haben einen Empfänger mit einer hohen Abtastrate und können direkt im Zeitbereich arbeiten. Um eine große Bandbreite zu erreichen, müssen diese Impulse extrem kurz sein, typischerweise im Bereich von wenigen Nanosekunden oder sogar noch kürzer. Oft wird die untere Grenzfrequenz an Null angenähert, um eine große Bandbreite zu erhalten. In diesem Fall wird im Sender nicht mehr eine Trägerfrequenz moduliert, sondern es wird ein Hochspannungsimpuls (typischerweise zwischen 20 und 200 Volt) direkt auf die Antenne gegeben. Die resultierende Art von Impuls wird als Basisbandpuls bezeichnet. Seine Form ähnelt einem „Mexikanischen Hut“ und wird mathematisch als negative normierte zweite Ableitung einer Glockenkurve (Gaußschen Funktion) beschrieben.

Bodenradare, die eine sich schrittweise oder kontinuierlich ändernde Frequenz aussenden und die Differenzfrequenz (oder Differenzphase) zwischen aktuell gesendetem und dem verzögert empfangenem Signal verarbeiten, arbeiten in der Frequenzregion. Es sind meist frequenzmodulierte Dauerstrichradargeräte mit schrittweiser Frequenzänderung (SFCW- Radar) Solche Radargeräte sind sehr viel einfacher im Aufbau und damit auch billiger als Impulsradar, allerdings sehr viel langsamer. Die Laufzeit wird durch eine invertierte schnelle Fouriertransformation ermittelt. Durch die Möglichkeit, die Echosignale über einen längeren Zeitraum zu integrieren haben sie ein besseres Signal-Rauschverhältnis als Impulsradare.

Die Wahl des Frequenzbereiches ist ein Kompromiss zwischen möglicher Eindringtiefe und des Auflösungsvermögens. Bodenmaterial hat ein Tiefpass-Charakter. Tiefere Frequenzen können tiefer in ihn eindringen als höhere Frequenzen. Diese jedoch bieten ein besseres Auflösungsvermögen. Das Sendesignal wird in verschiedenen Erdschichten auch verschieden stark bedämpft. Am schwierigsten zu durchdringen ist nasser Ton, am leichtesten trockener Sand. Die kleinste Objektgröße, die durch das Radar sichtbar werden kann vergößert sich, wenn die Freqenz verringert wird. Bild 2 gibt dafür einen groben Überblick: Bei 1 MHz könnte das Radar zwar Objekte bis in eine Tiefe von 30 bis 40 Metern orten, aber nur, wenn diese auch mehr als 2 Meter groß sind. Ausschlaggebend für das vertikale Auflösungsvermögen ist die effektive Bandbreite des empfangenen Signals. Die horizontale Auflösung wird durch die Abstrahlcharakteristik der verwendeten Antenne bestimmt. Diese kann geringfügig verbessert werden, indem Methoden der Radarsignalverarbeitung verwendet werden, die ähnlich einem Synthetic Aperture Radar (SAR), die Echosignale aus mehreren Positionen des Bodenradars miteinander verknüpfen. Leider sind diese Möglichkeiten beim Bodenradar nicht so erfolgreich wie beim SAR, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit in dem Erdreich nicht konstant ist und notwendige Phasenkorrekturen nur geschätzt werden können.

Innerhalb des genutzten Frequenzbereiches liegen ebenfalls viele Mobilfunknetze, deren Strahlungsfeld das GPR empfindlich stören können. Der Benutzer sollte darauf achten, dass sein Mobiltelefon während der Messung in den Flugmodus geschaltet ist. Eine Möglichkeit, solche Störungen zu minimieren ist eine phasenkodierte Modulation. Diese Modulationsart ist allerdings nur bei schmalbandigem FMCW-Radar möglich.

Bild 3: Hier wurden viele A-scans zu einem einfachsten B-scan zusammengefügt. Der positive Impulsanteil wurde farblich ausgefüllt und kann nun die Helligkeitsmodulation des B-scopes simulieren.

Bild 3: Hier wurden viele A-scans zu einem einfachsten B-scan zusammengefügt. Der positive Impulsanteil wurde farblich ausgefüllt und kann nun die Helligkeitsmodulation des B-scans simulieren.

Radarsignalverarbeitung

Entlang der Bewegungsrichtung wird ein Rohbild aus den Radardaten generiert. Sie bilden einen Schnitt durch das Gelände ab. Da die Antennen wegen der tiefen Frequenzen und der notwendigen Bandbreite keine große Richtwirkung haben können, ergeben alle Objekte im Boden schon ein Echosignal, wenn sie sich noch nicht genau unter dem Bodenradar befinden. Dieses Echosignal wird trotzdem genau unter dem Bodenradar dargestellt. Durch die größere Schrägentfernung wird dieses Echo aber in einer größeren Tiefe dargestellt, als es tatsächlich ist. Bei der Überfahrt über das reflektierende Objekt wird also ein hyperbolisches Zielzeichen erzeugt. Die tatsächliche Position ist der Scheitelpunkt der Hyperbel. Im Rohbild ist immer mindestens eine durchgehende Linie in der Nähe der Oberfläche abgebildet, die sich aus der direkten Verbindung von Sendeantenne zur Empfangsantenne durch die Luft, gefolgt von einer zweiten Linie, die sich aus der direkten Welle im Erdreich ergibt.

Mittels geeigneter Software kann dieses Bild mit Hilfe einer Vielzahl von Filtern reduziert werden auf die tatsächlichen Positionen der Objekte. Diese Filter reduzieren die Streuverluste, das Rauschen sowie das auch hier ebenfalls als Bodenclutter bezeichnete Phänomen von Störungen durch verschiedene Inhomogenitäten, die eigentlich gar keine Objekte sind. Gleichzeitig kann der Verstärkungsfaktor in Abhängigkeit der Laufzeit erhöht werden, um die Dämpfung im Boden zu kompensieren.

Eine Umrechnung der Laufzeit in eine Entfernung/Tiefe ist dagegen nicht so einfach. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Boden variiert sehr stark. In trockenem Boden ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit nur halb so groß, wie in der Luft. Bei feuchtem Sand verringert sie sich sogar auf nur ein Viertel, im Wasser sogar auf nur etwas mehr als ein Zehntel. Diese Unterschiede müssen bekannt sein und können zum Beispiel durch eine Widerstandsmessung abgeschätzt oder mit seismologischen Messungen verglichen werden. Endgültige Gewissheit kann jedoch nur eine Kernbohrung geben.

Das Ergebnis einer einzelnen Radarmessung kann als A-Scan auf einem Oszilloskop abgebildet werden. Dieses zeigt auf der X-Achse einen Zeitstrahl und auf der Y-Achse die Amplituden der verzögerten Impulse. Aus mehreren solcher Einzelmessungen kann ein B-Scan generiert werden. Auf der X-Achse wird der mit dem Radar zurückgelegte Weg angetragen und auf der Y-Achse der Zeitstrahl. Die Echosignale werden jetzt helligkeitsmoduliert oder mittels Falschfarben auf dieser Fläche sichtbar gemacht. Dieser B-Scan ist der Schnitt durch das Erdreich entlang des Weges, den das Radar zurücklegt. Aus mehreren solchen parallelen Schnitten kann eine Karte mit der Draufsicht auf das Testgebiet als sogenannter C-Scan generiert werden, wobei die Achsen jetzt zweidimensional die Entfernungen auf dem Testgelände sind. Alle diese Darstellungen werden in den Publikationen Radargramm genannt. Die Begriffe A-Scan, B-Scan und C-Scan haben eine für GPR eigentümliche Bedeutung und sollten nicht verwechselt werden mit A-Scope, B-Scope, und C-Scope als Sichtgeräte von Aufklärungs- und Zielzuweisungsradargeräten.

Parabolreflektor
konische Stäbe
als Strahler
Impulseinspeisung
Ohmscher Widerstand
zwischen Speisung
und Parabolreflektor

Bild 4: Aufbau einer Impulse Radiating Antenna (IRA)

Parabolreflektor
konische Stäbe
als Strahler
Impulseinspeisung
Ohmscher Widerstand
zwischen Speisung
und Parabolreflektor

Bild 4: Aufbau einer Impulse Radiating Antenna (IRA)

Impulsabstrahlende Antennen

Bei im Frequenzbereich arbeitendem GPR ist die Wahl der Antenne unkritisch. Sie sollte mit ihrer Breitbandigkeit nur den genutzten Frequenzbereich abdecken. Bei im Zeitbereich arbeitenden Impulsradargeräten ist die Wahl der Antenne schwieriger. Die Antenne muss für alle Frequenzen im Bereich das gleiche Phasenzentrum haben, um die Impulsform nicht zu verändern. Somit ist zum Beispiel die Logaritmisch-periodische Antenne weniger geeignet. Zusätzlich muss für tragbare Geräte auf geringe geometrische Abmessungen geachtet werden, damit die Geräte nicht zu unhandlich werden.

Speziell für Ultrabreitbandanwendungen wurden impulsabstrahlende Antennen (IRA, von engl.: Impulse Radiating Antenna) entwickelt. Sie bestehen aus einem Dipol aus zum Beispiel konischem Rundmaterial vor einem Parabolreflektor. Sie haben eine gute Richtwirkung und erlauben eine sehr hohe Spitzenfeldstärke. Bei einem Durchmesser von 0,8 m reicht ihre Bandbreite von 0,2 bis 6 GHz. Durch den mit einem Widerstandsbelag versehenen Übergang zwischen beiden Strahlerhälften und dem Parabolreflektor werden Reflexionen von Impulsanteilen mit sehr hoher Frequenz auf dem Strahler vermieden. Im Vergleich zu einem elektrisch gleichwertigen linearen konischen Hornstrahler ist die IRA wesentlich kompakter aufgebaut.

Anwendungen

GPR gibt es als handliche Geräte, die manuell am Boden oder an Wänden geführt werden können. Diese Geräte sind ebenfalls zur Untersuchung nichtmetallischer Werkstoffe auf Risse oder Hohlräume geeignet. Größere Geräte können entweder auf Kufen über den Erdboden geschleift oder gezogen werden oder in einem kleinen Wagen eingebaut sein, der durch eine Einzelperson geschoben wird. Die Gehäuse und das Transportmittel sollen möglichst aus nichtmetallischen Werkstoffen konstruiert sein, um die Funktion nicht zu beeinträchtigen. Ein Einbau in KFZ ist ebenfalls möglich, wird hier aber mit einem möglichst nichtmetallischen Ausleger entweder weit vor der Motorhaube oder weit hinter der Heckklappe montiert. Bodenradar kann auch als Anhängelast mit einem Hubschrauber transportiert werden wie zum Beispiel das „HERA“ (HE licopter RA dar) der schweizer Firma RST.

Das GPR MARSIS ist fester Bestandteil in der Raumsonde Mars Express und untersucht den Marsboden bis in eine Tiefe von 5 km mit Frequenzen zwischen 1,8 und 5 MHz. Der Abstand der Antenne zum Marsboden beträgt zwischen 300 bis maximal 800 km.

Das GPR wird unter Anderem für die Untersuchung von wasserführenden Schichten, für das Messen der Dicke von Felsmassiven, Ablagerungsschichten und von Wassertiefen sowie für das Aufspüren von Höhlen verwendet. Andere Anwendungsmöglichkeiten ist das Kartografieren von Leitungen, Kanalschächten, Kabeln und Felsblöcken. Die Kombination mit anderen Untersuchungsmethoden, wie seismologische und Widerstandsmessungen verringern die Unsicherheiten bei der Charakterisierung der Reflexionsursache.

Bildergalerie einer archäologischen Anwendung eines Bodenradars

Eine von Dean Goodman geführte Radaruntersuchung in Japan zeigt einen kreisförmigen Grabhügel mit ein Begräbniss darin, welches eindeutig in der unteren Schicht von Bild 6 abgebildet ist. Bild 7 ist ein 3-dimensionaler Schnitt von einer Grabkammer, die von Dean Goodman in einem Grabhügel auf der Insel von Kyushu in Japan entdeckt wurde. Es enthielt die Überreste eines Samurais mit einer Vielzahl von Grabbeigaben einschließlich von Bronzeschwertern. (Bildquellen: Dean Goodmann)

ground-penetrating-radar

Bild 5: ein älteres Ground penetrating radar in Aktion

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Bild 6: Schichten

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Bild 7: 3D-Darstellung