www.radartutorial.eu Radar Temelleri

GPR nedir?

Toprağa İşleyen Radar

Radar işlemcisi
ve ekranı
Akü
Gönderici,
alıcı ve anten
mahfazası
Yol duyargası

Resim 1: Toprağa işleyen radar çalışırken,
© 2010 İsveç Tarih Müzesi, Stockholm

Radar işlemcisi
ve ekranı
Akü
Gönderici,
alıcı ve anten
mahfazası
Yol duyargası

Resim 1: Toprağa işleyen radar çalışırken,
© 2010 İsveç Tarih Müzesi, Stockholm

Yer Radarı konuları
  1. Çalışma prensibi
  2. Radar sinyal işlenmesi
  3. Darbe gönderen antenler
  4. Kullanıldığı yerler
„Meksikalı şapkası“
dalgacık

Resim 2: Kullanılan merkez frekansı ile toprağa işleme derinliği ile çözünürlük yeteneği arasında bir tercih yapılır.

„Meksikalı şapkası“
dalgacık

Resim 2: Kullanılan merkez frekansı ile toprağa işleme derinliği ile çözünürlük yeteneği arasında bir tercih yapılır.

Toprağa İşleyen Radar

Toprağa İşleyen Radar (Ground Penetrating Radar, GPR) optiksel olarak şeffaf olmayan (örneğin toprak, beton, tuğla duvar, asfalt, taş ya da buz gibi) gömülü ve örtülü nesnelerin ya da katmanların yerlerini belirlemek ve haritalamak için kullanılan jeofiziksel bir araştırma yöntemidir. Bu tahribatsız araştırma yöntemi 1970 li yıllardan beri çevre, makine imalatı ve arkeolojide kullanılmaktadır. Yer radarı ultra geniş bant radarı kullanımının başarılı bir örneğidir. 1 m ye kadar işleme derinliğine sahip bir tipik yer radarı 300 MHz ila 3 300 MHz bant aralığında çalışır. Diğer araştırma yöntemlerine göre bu yöntem daha hızlı, daha basit ve daha ucuzdur. Işıma yoğunluğu kesinlikle zararsızdır. Tipik ortalama gönderim gücü birkaç miliwatt civarındadır.

Çalışma prensibi

Bir yer radarı yer yüzeyinin altındaki verileri elde için etmek elektromanyetik enerji kullanır. Enerji incelenecek bölgeye doğru yönlendirilir ve bir inhomojenite ve yer katman sınırlarında farklı elektriksel iletkenlikle karşılaştığında enerji yansıyarak antene döner. Gönderim sinyali ve yankı sinyali arasındaki geçen süreden bu inhomojenitenin derinliği belirlenebilir. Radar tipine ve toprağın yayılma özelliklerine bağlı olarak birkaç on metrelik derinliğe kadar inebilir ve katmanın bir kesitsel resmi çıkarılabilir.

Toprağa işleyen radar
Zaman bölgesi
Frekans bölgesi
Temel bant darbesi
Gürültü Modüleli Radar
FMSD Radarı
Kademeli Frekans
FMSD-radarı
Toprağa işleyen radar
Zaman bölgesi
Frekans bölgesi
Temel bant darbesi
Gürültü Modüleli Radar
FMSD Radarı
Kademeli Frekans
FMSD-radarı
Toprağa işleyen radar
Zaman bölgesi
Frekans bölgesi
Temel bant darbesi
Gürültü Modüleli Radar
FMSD Radarı
Kademeli Frekans
FMSD-radarı
(Etkileşimli resim)

Yer radarlarının teknik olarak iki farklı türü vardır. Eğer yer radarı bir darbe biçimli sinyal gönderiyorsa darbe radarı olarak adlandırılır. Bu radar aygıtı çok yüksek örneklemeli bir alıcıya sahiptir ve doğrudan zaman bölgesinde (time domain) çalışabilir. Daha büyük bir bant genişliğine ulaşmak için bu darbelerin tipik birkaç nano saniyeden daha kısa ve hatta çok daha kısa olması gerekir. Daha geniş bir bant genişliği elde etmek için alt-kesme frekansı kullanılır. Bu durumda gönderici artık bir taşıyıcı frekansla modüle edilmez, daha ziyade antene doğrudan yüksek gerilimli bir darbe (tipik 20 ila 200 V arası) gönderilir. Sonuçta ortaya çıkan bu tür darbe Temel Bant Darbesi olarak adlandırılır. Biçimi bir „Meksikalı şapkasını“ andırır ve matematiksek fonksiyonu bir çan eğrisinin (Gauss fonksiyonu) negatif normalize 2. Türevidir.

Frekansı kademeli ya da sürekli değişen sinyal yollayan ve gönderilmiş güncel ve alınan geciktirilmiş yankı sinyali arasındaki faz açısı farkını işleyen yer radarları frekans bölgesinde (frequency domain) çalışırlar. Genellikle bunlar frekansı kademeli değişen frekans modüleli sürekli dalga radarlardır. Bu tür radar aygıtların yapısı daha basit ve dolayısıyla daha ucuzdur, ancak çok yavaş çalışırlar. Geçiş zamanı bir ters hızlı Fourier dönüşümü ile hesaplanır. Darbe radarlarında yankı sinyallerinin bir uzun zaman boyunca tümlevinin alınmasıyla daha iyi bir sinyal/gürültü oranının elde edilmesi mümkündür.

Sinyallerin yere işleme derinliği ve çözünürlük arasında tercihte seçilen frekansın değeri belirleyicidir. Yeryüzünün yapısı düşük frekans geçiren bir karaktere sahiptir. Daha düşük frekanslar yüksek frekanslara göre yeryüzüne daha fazla işler, ancak çözünürlüğü daha düşüktür. Gönderilen sinyaller değişik yer katmanlarında farklı zayıflamaya maruz kalırlar. Sinyaller nemli katmanları zor, kuru katmanları ise kolay geçerler. Eğer frekans değeri düşürülse radarın görebileceği en küçük nesne boyutu arttırılabilir. Bu olayı Resim.2 de kabaca görebiliriz: 1 MHz te çalışan radar 30 ile 40 m derinlikteki bir nesneyi eğer bu nesne 2 m den daha büyükse algılayabilir. Bu düşey çözünürlük yeteneği için belirleyici olan faktör alınan sinyalin etkin bant genişliğidir. Yatay çözünürlük yeteneğini kullanılan antenin ışıma karakteristikleri belirler. Bu sorun, bir Yapay Açıklıklı Radardakine benzer şekilde, radar sinyal işlenmesindeki yöntemler kullanılarak yer radarının birden fazla sayıdaki konumlarından gelen yankı sinyalleri birbiriyle birleştirilerek iyileştirile bilinir. Ancak bu olanaklar yerin altında yayılma hızının sabit olmayışı ve gerekli faz düzeltmesi kestirilemediğinden Yapay Açıklıklı Radarda olduğu gibi yer radarında çok başarılı değildir.

Kullanılan frekans bölgesi içinde aynı zamanda mobil telefon şebekesi çalışmaktadır, bunların yayını yer radarın hassasiyetini bozabilir. Bu radarla ölçümleme yapılırken kullanıcıların mobil telefonlarını uçak moduna çevirmeleri gerekir. Bu tür parazitleri en aza indirmenin diğer bir yolu ise bir faz kodlamalı modülasyon kullanmaktır. Bu modülasyon biçimi sadece dar bantlı FMSD- radarıyla mümkündür.

Resim 3: Burada çok sayıda A-tarama (90 derece döndürülmüş) bir en basitinden B-taramayla birleştirilir.
Darbenin pozitif bölümü beyaz renkle doldurulmuştur ve şimdi B-taramaların parlaklık modülasyonunun benzeşimi mümkündür.

Resim 3: Burada çok sayıda A-tarama (90 derece döndürülmüş) bir en basitinden B-taramayla birleştirilir.
Darbenin pozitif bölümü beyaz renkle doldurulmuştur ve şimdi B-taramaların parlaklık modülasyonunun benzeşimi mümkündür.

Radar Sinyallerinin işlenmesi

Hareket yönünde radar verilerinden ham bir resim üretilebilir. Antenler düşük frekanslar ve gerekli bant genişliği nedeniyle büyük bir yayın yönlülüğüne sahip olamazlar, eğer yer radarının hemen altında bulunmuyorsa tüm nesneler bir yankı sinyali gönderirler. Bu yankı sinyali buna rağmen tamda yer radarının altındaymış gibi görüntülenir. Daha büyük yatık menzil nedeniyle bu yankı sanki daha derinden geliyormuş gibi görüntülenir. Yansıtıcı nesnenin üzerinden geçiliyorken bir hiperbolik hedef işareti üretilir. Gerçek konum hiperbolün tepe noktasıdır. Gönderim anteninin alıcı antene hava vasıtasıyla doğrudan bağlanmasıyla (bu sıkça havadan ilk ulaşma olarak adlandırılır) ham resimde yeryüzüne yakın bölgede bir sürekli çizgi yer alır. Bu çizgi daha sonraki işlemlerde kaybolur. Genellikle toprakta antenden antene doğrudan dalga nedeniyle oluşan ikinci bir çizgi daha bulunur.

Uygun yazılım çok sayıda süzgeç yardımı ile nesnelerin bu resmini gerçek konumuna indirebilir. Bu süzgeçler saçılma kayıplarını, gerçekte nesne olmayan inhomojeniteler nedeniyle oluşan keza yerden yansıma paraziti olarakta adlandırılan gürültülerin etkisini azaltırlar. Geçiş zamanına (runtime) bağlı olarak yerdeki zayıflamayı telafi etmek için kazanç katsayısı arttırıla bilinir.

Geçiş zamanının bir menzil/derinlikte yeniden hesaplanması öyle çok basit değildir. Toprakta elektromanyetik dalgaların yayılma hızı çok kuvvetli değişir. Kuru bir toprakta yayılma hızı havadaki yayılma hızının yarısı kadardır. Nemli toprak ve çamurda bu oran dörtte biri olup, suda onda birinden birazcık fazladır. Bu farklar önceden bilinmeli ve örneğin bir direnç ölçümüyle kestirilmeli ya da sismik ölçümlerle karşılaştırılabilmelidir. En sonunda yere bir sondaj deliği açılarak doğrulanmalıdır.

Bir bireysel radar ölçümü A-tarama olarak görüntülenebilir. X-ekseninde bir zaman parametresi ve Y-ekseninde ise alınan yankı sinyali gösterilir. Birden fazla sayıda yapılan bu tür bireysel ölçümler sonrası bir B-tarama elde edilir. X-ekseninde radarın kat ettiği yol ve Y-ekseninde ise zaman parametresi gösterilir. 90 derece döndürülen bu şekle “iz” deriz. Yankı sinyalleri şimdi parlaklık modüle edilir veya taklit renklerle boyanarak görünebilir bir duruma getirilir. Bu B-tarama radarın toprakta kat ettiği yolun bir kesitidir. Çok sayıda bu tür paralel kesitlerden inceleme bölgesinin C-tarama denilen X- ve Y- eksenlerinde inceleme bölgesindeki 2-boyutlu uzaklıkların gösterildiği bir harita benzeri üst görünüşü elde edilir. Teknik yayınlarda tüm bu gösterimler Radargram olarak geçmektedir. Resim.5 te C-taramalardan oluşmuş her bir derinlik için 3-boyutlu bir resim görülmektedir. A-tarama, B-tarama ve C-tarama yer radarında kullanılan kavramlardır, bunların gözetim ve izleme radar aygıtlarında kullanılan A-ekran, B-ekran ve C-ekran ile karıştırılmaması gerekir.

Parabol yansıtıcı
Konik çubuk
ışıyıcı
Darbe besleme
Beslenme ile parabol
yansıtıcı arasındaki
omik direnç

Resim 4: Bir darbe gönderen antenin (IRA) yapısı

Parabol yansıtıcı
Konik çubuk
ışıyıcı
Darbe besleme
Beslenme ile parabol
yansıtıcı arasındaki
omik direnç

Resim 4: Bir darbe gönderen antenin (IRA) yapısı

Darbe gönderen antenler

Frekans bölgesinde çalışan yer radarlarında antenin seçimi kritik değildir. Bant genişliğinin kullanılan frekans bölgesini kapsaması yeterli olur. Zaman bölgesinde çalışan darbe radarlarında anten seçimi daha zordur. Antenin kullanılan tüm frekanslarda darbenin biçimini değiştirmemesi için faz açı merkezinin aynı olması gerekir. Örneğin logaritmik-periyotlu antenler bu işe daha az uygundur. Bunun yanında taşınabilir aygıtların taşınma sırasında zorluk çekilmemesi için boyutlarının küçük tutulması gerekir.

Ultra geniş bant kullanımı için darbe gönderen antenler (Impulse Radiating Antennas, IRA) özel olarak geliştirilmiştir. Bunlar bir dipolden, örneğin parabolik yansıtıcının önünde bulunana konik malzemeden oluşmaktadır. Bu antenlerin yönlülüğü (directivity) iyidir ve çok yüksek bir tepe alan kuvvetine sahiptir. 0,8 m lik bir çapta bant genişliği 0,2 ila 6 GHz arasındadır. İki ışıma elemanın yarısı ile parabolik yansıtıcı arasında geçiş direnci sayesinde ışıyıcı elemanda çok yüksek frekansa sahip darbe bileşenlerinin yansımalarını önlenir. Darbe Gönderen Antenin bir elektriksel eşdeğeri olan doğrusal konik boynuz antenlere göre yapısı çok daha derli topludur.

Kullanım yerleri

Yer radarlarının zemine ya da duvara yerleştirilebilen elde taşınabilir modelleri de vardır. Bu aygıtlar metalik olmayan malzemelerdeki çatlak ve boşlukların belirlenmesi içinde uygundur. Daha büyük aygıtlar tek bir insan gücüyle kızakla ya da bir römorkla taşınabilir. Antenin çalışmasını olumsuz etkilememsi için mahfazaların ve taşıma araçlarının imalatında elden geldiğince metal olmayan malzeme kullanılmalıdır. Aygıtın olabildiğince metalik olmayan bir bom kullanılarak bir motorlu taşıtın önünde uzak bir yere ya da aracın çok gerisinde bir yere kurulması da mümkündür. Yer radarı örneğin İsviçre firması RST nin „HERA“ (HE licopter RA dar) tipi helikopteriyle de taşınabilir.

Yer radarı MARSIS uzay aracı Mars Express in tümleşik bir parçasıdır ve Mars yüzeyini 5 km lik bir derinliğe kadar 1,8 ila 5 MHz frekans bandı aralığında araştırmaktadır. Mars yüzeyi ile anten arasında uzaklık 300 ila 800 km arasında değişmektedir.

Yer radarı su katmanlarının araştırılmasında, kaya kütlelerinin, çökelti katmanlarının kalınlığının ve su derinliklerinin ölçülmesinde, mağaraların yerlerinin araştırılmasında kullanılmaktadır. Diğer kullanım yerleri arasında borularının, rögar kapaklarının, kabloların ve kaya blokların haritalanması bulunmaktadır. Yer radar verilerinin sismoloji ve direnç ölçümleri gibi diğer araştırma yöntemleriyle birleşimi yansıma nedeninin tanınmasındaki belirsizlikleri azaltır.

Bir yer radarının arkeolojik amaçla kullanımına ait resimler

Japonya' da Dean Goodman tarafından yürütülen bir araştırmada bir tanesi ortaya çıkarılan, içinde gömü bulunan daire şeklinde bir höyük tepeciği Resim.6 açık bir şekilde görülmektedir. 7 nolu resimde ise, Japonya' nın Kyushu adasında, yine Dean Goodman tarafından keşfedilen bir gömü odasının 3-boyutlu bir kesiti görülüyor. Burada bir Samuray savaşçısına ait içinde bronz kılıçlarında bulunduğu buluntular yer almaktadır. (Resimlerin kaynağı: Dean Goodmann)

ground-penetrating-radar

Resim 5: Eski bir toprağa işleyen radar çalışılırken

ground-penetrating-radar

Resim 6: Katman kesitleri

ground-penetrating-radar

Resim 7: 3- boyutlu gösterim