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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 - PowerPoint PPT Presentation
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Georadar (Bodenradar)*
Erzeugung und Messung hochfrequenter elektromagnetischer Wellen zur Erkundung des Untergrunds
1. Reflexionsprinzip, Zero-Offset-Sektion
2. Beispielanwendungen
3. Theoretische Grundlagen von EM-Wellen
4. Processing von Rohdaten
5. Bestimmung von Geschwindigkeiten
*engl.: GPR – ground penetrating radar
Reflexionsprinzip akustische Anwendungen
SonographieReflexionsseismik
A, B, C: Münchberg Gneiss Complex
5
10
Tie
fe [
km
]
t = 0
Sendeantenne
Reflexionsprinzip
t
Empfängerantenne
A(t)
t = 0
Reflexionsprinzip
t
A(t)
Reflexionsprinzip
t
A(t)
Transmission
Reflexion
Reflexionsprinzip
t
A(t)
Reflexionsprinzip
t
A(t)
Reflexionsprinzip
t
A(t)
Radargramm
Reflexionsprinzip
t
x
x
Radargramm-sektionbzw.Zero-offset-sektion
Reflexionsprinzip
Reflexionsprinzip Zero-offset Sektion
Einbauten; 500 MHz
Beispielanwendungen Einbauten
Archäologische Strukturen (Römischer Gutshof, Pfongau/Salzburg); 500 MHz
Beispielanwendungen Archäoprospektion
Ungeschirmte Antennen
Beispielanwendungen Antennen
Moorman and Michel, J Paleolimnology 1997
Seetiefe und Seesedimente; 100 MHz
Beispielanwendungen Seetiefe
Parsekian et al.,JGR Biogeosciences 2011
Böden und Sedimente 1: Torfmächtigkeiten; 100 MHz
Beispielanwendungen Böden
gespannter Sandaquifer
SchluffSand
Sand
Schluff
Bleibinhaus and Hilberg, GJI 2012
Böden und Sediment 2: Hydrogeologie Salzachtal; 25 MHz
Beispielanwendungen Sedimente
Green afterLowrie, 2007
Klüfte im Fels; 200 MHz
Beispielanwendungen Klüfte
Ng and Conway, 2004
km
Fließstrukturen im stagnierten Kamb Eisstrom (Westantarktis); 2 MHz
Beispielanwendungen Gletschermächtigkeit
Wovon hängt die Ausbreitung von EM-Wellen ab?
von der elektrischen Leitfähigkeit die den Stromfluss J beschreibt,
der von einem elektrischen Feld E verursacht wird
von der elektrischen Permittivitätdie die elektrische Flussdichte D beschreibt,die von einem elektrischen Feld E verursacht wird
von der magnetischen Permeabilität die die magnetische Flussdichte B beschreibt,der von einem magnetischen Feld H verursacht wird
EεD ~
EσJ ~
HμB ~
Stoffgleichungen der Elektromagnetik
Theoretische Grundlagen Stoffgleichungen
Wovon hängt die Ausbreitung von EM-Wellen ab?
Maxwell-Gleichungen
D
0 B
t
B
E
t
D
JH
Bewegungsgleichungen der Elektromagnetik
Theoretische Grundlagen Maxwell-Gleichungen
Wovon hängt die Ausbreitung von EM-Wellen ab?
Maxwell-Gleichungen und Stoffgleichungen kombiniert:
2
2
tt
EE
E
Wellengleichungen der Elektromagnetik
2
2
tt
HH
H
Schwingungsterm(Wellenausbreitung)
Dämpfungsterm(Induktion)
Theoretische Grundlagen Wellengleichung
Wovon hängt die Ausbreitung von EM-Wellen ab?
Betrachte Quotient aus Schwingungsterm und Dämpfungsterm:
E
E
tie xEE
Kreisfrequenz
Low-loss- bzw. Wellenregime
Induktionsregime
Theoretische Grundlagen Low-loss Kriterium
Lowrie, 2007
= c0/f
WellenregimePermittivität dominant
InduktionsregimeLeitfähigkeit dominant
2
2
tt
EE
E
Beachte:
Der Übergang zum Wellenregime hängt von der Frequenz und von der Leitfähigkeit ab!
Theoretische Grundlagen EM-Spektrum
EM surveys
Electrical properties of various materials
MaterialRelative
Permittivity r
Conductivity (mS/m)
Resistivity(m)
Velocityc (m/ns)
Attenuation (dB/m)
Wavelength (m)
50 MHz 1 GHz
Air, Vacuum 1 0 ∞ 0.3 0 6 0.3
Water, distilled 78 – 88 0.005 2 10∙ 5 0.033 0.002 0.66 0.033
Water, fresh 78 – 88 5 – 50 20 – 200 0.033 0.1 0.66 0.033
Water, sea 81 – 88 3000 0.2 *0.01 100 0.2 0.01
Ice 3 10-6 – 1 103 – 109 0.16 0.01 3.3 0.16
Sand – Gravel (dry) 3 – 5 0.01 105 0.13 – 0.17 0.01 3 0.15
Saturated sand 20 – 30 1 – 10 100 – 1000 0.06 0.03 – 0.3 1 0.06
Silt 5 – 30 1 – 100 10 – 1000 0.05 – 0.13 1 – 100 2 0.1
Clay 5 – 40 2 – 1000 1 – 500 0.05 – 0.10 1 – 300 2 0.1
Shale 5 – 15 1 – 100 10 – 1000 0.08 – 0.13 1 – 100 2 0.1
Limestone 4 – 8 0.5 – 2 500 – 2000 0.12 0.4 – 1 2 0.1
Granite 5 – 6 0.01 – 1 103 – 105 0.13 0.01 – 1 2 0.1
Salt (dry) 5 – 6 0.01 – 1 103 – 105 0.13 0.01 – 1 2 0.1*loss factor relevantcompiled from and modified after Davis et al. [1989], Annan [2005], Cassidy [2009] and other sources
Theoretische Grundlagen Materialkonstanten
folgt für die Lichtgeschwindigkeit des Vakuums
und in Materie
bzw. für unmagnetische Materie
1
ck
VmAs1210854188.8
0 r 0 r
rr
cc
0
1r
2
2
t
E
E
)(0
kxtie EE
Permeabilitätdes Vakuums
relativePermeabilität
Permittivitätdes Vakuums
relativePermittivität
Wie schnell sind EM-Wellen?
Ohne Dämpfungsterm lautet die Wellengleichung
Mit Lösungsansatz folgt
Mit und
r
cc
0
Geschwindigkeit
s
mc 8
00
0 1099791.21
27104 AN
Theoretische Grundlagen Geschwindigkeit
EM surveys
Electrical properties of various materials
MaterialRelative
Permittivity r
Conductivity (mS/m)
Resistivity(m)
Velocityc (m/ns)
Attenuation (dB/m)
Wavelength (m)
50 MHz 1 GHz
Air, Vacuum 1 0 ∞ 0.3 0 6 0.3
Water, distilled 78 – 88 0.005 2 10∙ 5 0.033 0.002 0.66 0.033
Water, fresh 78 – 88 5 – 50 20 – 200 0.033 0.1 0.66 0.033
Water, sea 81 – 88 3000 0.2 *0.01 100 0.2 0.01
Ice 3 10-6 – 1 103 – 109 0.16 0.01 3.3 0.16
Sand – Gravel (dry) 3 – 5 0.01 105 0.13 – 0.17 0.01 3 0.15
Saturated sand 20 – 30 1 – 10 100 – 1000 0.06 0.03 – 0.3 1 0.06
Silt 5 – 30 1 – 100 10 – 1000 0.05 – 0.13 1 – 100 2 0.1
Clay 5 – 40 2 – 1000 1 – 500 0.05 – 0.10 1 – 300 2 0.1
Shale 5 – 15 1 – 100 10 – 1000 0.08 – 0.13 1 – 100 2 0.1
Limestone 4 – 8 0.5 – 2 500 – 2000 0.12 0.4 – 1 2 0.1
Granite 5 – 6 0.01 – 1 103 – 105 0.13 0.01 – 1 2 0.1
Salt (dry) 5 – 6 0.01 – 1 103 – 105 0.13 0.01 – 1 2 0.1*loss factor relevantcompiled from and modified after Davis et al. [1989], Annan [2005], Cassidy [2009] and other sources
Theoretische Grundlagen Geschwindigkeit
Die Wellenlänge ist also
Die Wellenlänge ist relevant für• das Auflösungsvermögen ≈ • den Punktabstand der Akquisition ≈ • die Eindringtiefe ≈
1
ck
2
2
t
E
E
)(0
kxtie EE
Wie lang sind EM-Wellen?
Ohne Dämpfungsterm lautet die Wellengleichung
Mit Lösungsansatz folgt
f
cc
k
22
Theoretische Grundlagen Wellenlänge
EM surveys
Electrical properties of various materials
MaterialRelative
Permittivity r
Conductivity (mS/m)
Resistivity(m)
Velocityc (m/ns)
Attenuation (dB/m)
Wavelength (m)
50 MHz 1 GHz
Air, Vacuum 1 0 ∞ 0.3 0 6 0.3
Water, distilled 78 – 88 0.005 2 10∙ 5 0.033 0.002 0.66 0.033
Water, fresh 78 – 88 5 – 50 20 – 200 0.033 0.1 0.66 0.033
Water, sea 81 – 88 3000 0.2 *0.01 100 0.2 0.01
Ice 3 10-6 – 1 103 – 109 0.16 0.01 3.3 0.16
Sand – Gravel (dry) 3 – 5 0.01 105 0.13 – 0.17 0.01 3 0.15
Saturated sand 20 – 30 1 – 10 100 – 1000 0.06 0.03 – 0.3 1 0.06
Silt 5 – 30 1 – 100 10 – 1000 0.05 – 0.13 1 – 100 2 0.1
Clay 5 – 40 2 – 1000 1 – 500 0.05 – 0.10 1 – 300 2 0.1
Shale 5 – 15 1 – 100 10 – 1000 0.08 – 0.13 1 – 100 2 0.1
Limestone 4 – 8 0.5 – 2 500 – 2000 0.12 0.4 – 1 2 0.1
Granite 5 – 6 0.01 – 1 103 – 105 0.13 0.01 – 1 2 0.1
Salt (dry) 5 – 6 0.01 – 1 103 – 105 0.13 0.01 – 1 2 0.1*loss factor relevantcompiled from and modified after Davis et al. [1989], Annan [2005], Cassidy [2009] and other sources
Theoretische Grundlagen Wellenlänge
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
H
EZ
cZ
1rrrr
rZ
377
0
0
0
0
21
21
ZZ
ZZR
12
12
R
Z1Z2
ReflexionskoeffizientTheoretische Grundlagen
Einige Beispiele für Reflexionskoeffizienten bei senkrechtem Einfall
r Z () R Air Water Ice Dry Soil
Moist Soil
Wet Soil Rock Metal
1 377 Air -0.80 -0.28 -0.33 -0.50 -0.67 -0.42 -1
81 42 Water 0.80 0.67 0.63 0.50 0.28 0.57 -1
3.2 210 Ice 0.28 -0.67 -0.06 -0.25 -0.47 -0.15 -1
4 188 Dry Soil 0.33 -0.63 0.06 -0.20 -0.43 -0.10 -1
9 126 Moist soil 0.50 -0.50 0.25 0.20 -0.25 0.10 -1
25 75 Wet soil 0.67 -0.28 0.47 0.43 0.25 0.34 -1
6 154 Rock 0.42 -0.57 0.15 0.10 -0.10 -0.34 -1
∞ 0 Metal 1 1 1 1 1 1 1
Theoretische Grundlagen Reflexionskoeffizient
Z1Z2
Processing
Rohdaten Abbild des Untergrunds
1. De”wow”
2. Amplitudenausgleich
3. Dekonvolution
4. Tiefenkonversion
5. Höhenkorrektur
6. Migration
Processing Amplitudenkorrektur
Ri = const. geringerMedium mitDämpfung hoher
Jol, 2009
Zei
t [
s]Spurnummer Spurnummer Spurnummer
Rohdaten + “dewow”
Processing Amplitudenkorrektur
Amplituden-verstärkung
Zei
t [ns
]Spurnummer
Radargramme werden in der Zeit aufgenommen: A(x,t)Konvertiere sie in Tiefe A(x,z)!
t z mittels t = 2 z / cbzw. z = c t / 2
c entweder messen, oder abschätzen c 0.1 m/ns
Tiefe [m
]
2
1.5
1
0.5
2.5
40
30
20
10
50
Processing Tiefenkonversion
Processing Höhenkorrektur
Jol, 2009
Jol, 2009
before
after
Processing Migration
1. geometrischeKorrektur
2. Entfernen vonDiffraktions-hyperbeln
Parsekian, 2011
CMP-Messung
Bestimmung von Geschwindigkeiten CMP-Messung
offset [m]
Bestimmung von Geschwindigkeiten Diffraktionshyperbeln
Z1
Z2
Parsekian, 2011
Gasgehalt; 100 MHz
BeispielBestimmung von Geschwindigkeiten
Geschwindigkeiten wurden hier mit dem sog. CRIM (complex refractive index model) in Gasgehalt umgerechnet (basierend auf methan≈1).
(n – Porosität, – volumetrischer Wassergehalt,W – Wasser, B – Boden, M – Methan)
Mr
Br
Wrr nn )()1(
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
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