Ground Penetrating Radar nedir? Ne için kullanılır?

Yeraltı Radarı veya genel adıyla Jeoradar (GPR: Ground Penetrating Radar, yakın yüzey araştırmalar için kullanılan yüksek frekanslı elektromanyetik prensiple çalışan jeofizik yöntemdir.

GPR cihazı bir anten, radar sistemi ve klavye, monitor ile teçhiz edilmiş bir bilgisayardan oluşmaktadır. GPR kullanılırken objeye gönderilerek buradan yansıyan dalgadan yansıyan elektromanyetik dalga içindeki veri bilgisi antene gönderilir ve bu bilgiler PC de toplanarak değerlendirilir.

GPR ölçüm düzeneğinde alıcı ve verici antenler veya her ikisinin birarada bulunduğu tek anten kutusu (shielded box) kullanılmaktadır. Verici anten yeraltına yüksek frekansta (genelde polarize olmuş) kısa sinyal halinde radyo dalgaları gönderir. Gönderilen dalga yeriçinde gömülü bir nesneye veya di-elektrik sabiti farklılaşan katman / seviye sınırına rastladığında, alıcı anten bu yüzeylerden yansıyan dalgalardaki varyasyonları kaydeder; ilerleme yönü boyunca zamanın bir fonksiyonu olarak kayıt edilen bu izlere radar izi denilir. Bu sebeple GPR tekniği aslında Sismik Yansıma tekniğine benzemektedir; ancak kaynak akustik değil, EM enerjidir ve sismik metotta kullanılan "akustik empedans" yerine farklı "di-elektrik sabitleri" ölçülmektedir.

Teknik olarak GPR cihazları 80-1200 Mhz arasında çalışan cihazlardır. Bu değerlere göre yüksek frekanslar dalga boyu daha düşük olacağı için derinliği az olan yüzeylerde, düşük frekans değerleri ise dalga boyu daha yüksek olacağı için daha derin olarak çalışılmak istenen yüzey araştırmalarında kullanılır.

Yakın yüzey tanımı özellikle jeoteknik çalışmalar düşünüldüğünde yapı duvar-taban-tavan araştırmalarından (0-2 metre arası girişim derinliğinden) derin yeraltı suyu ve maden haritalama (0-90 metre) derinliklerini kapsayacak şekilde değişkendir.

Buna göre aşağıdaki formül (d) derinliğinde bulunan bir yüzey araştırmasında uygun frekans f = 150 / d √ε MHz eşitliğinden bulunur.
Burada seçilen frekansa bağlı olarak hangi frekansta çalışılırsa o frekansın 3 katı alınır daha sonra da örnekleme teoremş gereğince bunun 2 katı alınarak frekanslar aralıklı olarak toprağa doğru gönderilerek yer altında bulunan objeden yansıyan dalgadan nesnenin şekli ve yeri tespit edilmeye çalışılır. Örneğin 100 Mhz lik bir değerde çalışılan bir GPR ın örnekleme aralIğı 100 X 3 X2 = 600 Mhz olacaktır.

Yeraltı Radarı, UHF/VHF frekanslarında (mikrodalga / microwave bandında) elektromanyetik (EM) yayılım kullanarak ölçü alır.

Yerbilimlerinde GPR:

Kaya, Toprak, Kum ve Genç çökeller, Buz / Buzul, Tatlı Su, Asfalt / Kaldırım, Demiryolları / Tünel, ortamlarında kullanılabilmektedir.

Ayrıca gömülü veya günışığına çıkmış arkeolojik yapı ve eserlerin hasarsız / tahribatsız test ve tespit edilmesinde (Nondestructive Testing) tüm dünyada sıklıkla başvurulan en önemli jeofizik yöntemlerden biridir.

Jeoradar yöntemi başlıca yapısal araştırmalarda toprak stratigrafisinin ve jeolojik kesitlerin ortaya çıkarılmasında (Davis and Annan, 1989; Daniels, 2004), yüzeye yakın jeolojik birimlerin tespitinde (Daniels, 2004), fay, kırık ve çatlakların haritalanmasında (Green, 2003), yeraltı karstik boşluklarının aranmasında (Davis and Annan, 1989), yeraltı su dağılımı ve seviyesinin tespitinde (Harari, 1996; Aspiron and Aigner, 1999), yüzeye yakın sıvı hidrokarbon aramalarında (Changryol et al., 2000) kullanılır. Bununla birlikte arkeolojik çalışmalarda tapınak, mezar, duvar, temel ve benzeri tarihi kalıntıların bulunmasında (Sambuelli, et al., 1999; Evren, 2012), metalik materyal arama çalışmalarında yeraltında gömülü boru, boru hattı, su veya akaryakıt tankı ve eski endüstriyel atık alanlarının tespitlerinde (Daniels, 2004), zemin araştırmalarında, tünel araştırmalarında, karayolu, demiryolu, su tünelleri, tüp geçitler, maden galerileri içinde duvar cephelerinin sağlamlık tespitinde, galeri içinde bozunmuş zon ve cevher aramada, galeri ilerleme yönü tespitlerinde (Cardelli, et al., 2002) ve adli tıp vakalarında yeraltındaki insan silah, mayın, vb. kalıntılarını aramada (Hammon III et al., 2000) tüm dünyada etkin olarak kullanılmaktadır. Yeraltı radarının portatif taşınabilir olması, çevreye herhangi olumsuz bir etki yapmaması, diğer jeofizik yöntemlere göre çok daha hızlı veri toplanabilmesi ve yüksek çözünürlüklü yeraltı görüntülemesini yapabilmesi yöntemin en büyük avantajlarıdır. GPR yöntemini kısıtlayan durumlar ise; yüksek iletken bir ortamda çalışamaması ve derinlikle çözünürlük derecesinin azalmasıdır. Radar penetrasyon derinliği ve herhangi bir derinlikteki hedef nesnenin belirlenebilmesi, o bölgedeki toprak özelliklerine de bağlıdır. Toprak yüksek iletkenlikli ise GPR yöntemini kısmi olarak etkisiz hale getirebilir ve farklı antenler ile ekstra ölçümlere gereklilik oluşabilir. Yöntemin sonuç vermesi için aranan nesne ile çevre birim arasında yeterli elektriksel tezatlığın/kontrastın olması gerekmektedir.
Ölçümler genellikle bir profil üzerinde veya gerçek zamanlı GPS ölçümleri ile beraber dağınık düzende ancak koordinatlı olarak alınır. Her ölçüm noktasındaki izler yan yana getirilerek tam profil radar kesitleri (radargramlar) elde edilir. Ölçüm noktası sıklığı yeriçinde araştırılması istenilen oluşumlara göre ayarlanır. İstenildiğinde söz konusu 2 boyutlu (2B) radargramlar koordinatlarına göre birleştirilerek yeraltı haritaları üç boyutlu (3B) halde görüntülenebilir. Hassas koordinatsız manuel görüntüleme için bir sahada kuzey-güney yönlü jeoradar profillerinin yanı sıra doğu-batı yönlü profillerde alınması ve geçerli mühendislik standartlarında bir karelaj oluşturulması 3B yeriçi modellerinde lokasyon, derinlik ve geometri hatalarını minimuma indiren bilimsel bir yaklaşımdır.

GPR verisi sayısal olarak kayıt edilir ve ayrıntılı bir veri-işlem çalışması gerektirir. Tekrarlanma oranı kullanılarak araştırma amcına ve diğer parametrelere göre gerekli yoğunlukta izler üstüste koyularak yığma yapılabilir (stacking). Bahsi geçen yığma sayısına arazi koşullarında ve ne araştırılmak istendiğine bağlı olarak tüm olası fiziksel parametreler göz önüne alınarak karar verilir. Yığma işleminden sonra alçak geçişli süzgeçler yardımı ile indüksiyon etkileri, yüksek geçişli alt ve üst plato filtreleri ile de gürültüler veriden ayıklanır. İm genliğinde zamana bağlı gelişen sönümlenme zaman değişkenli (time variant) veri-işlem yapılarak giderilir. Birçok ön veri-işlem aşaması arazi koşullarında yapılabildiği halde verilerin genelde ham olarak saklanması tavsiye edilir. Veri işlemenin arazi çalışmalarının sonrasında tüm parametreler eşleniğinde yapılması, yanlış yorumlama ve teknik açıdan mühendislik problemlerinin ortaya çıkmasını engellemek için altın kuraldır. Radar verisi yorumu parametrik/ numerik olmasının yanısıra son ürün açısından bakıldığında sübjektiftir ve her yerbilimci / jeofizik mühendisi tarafından kolaylıkla yapılamaz. Arazide toplanan verinin alınış biçiminden (ölçüm planı ve gridleme / karelaj), işlenmiş GPR profillerinin yorumlanmasına kadar geçen sürede raporlamayı gerçekleştirecek araştırmacının :

Spektral analiz, Sayısal süzgeçleme, Dalgalar, Elektromanyetik yöntem, Sayısal analiz ve programlama, Sayısal modelleme ve ters çözümgibi önemli konularda bilgili ve bu konulara hâkim olması gerekmektedir. 

GPR'ın inebileceği araştırma derinliği:

Yerdeki elektrik iletkenliğe, Yeriçine verilen EM dalgaların merkez frekansına ve Yeraltına yayılan EM gücün şiddetine

göre değişir. Yeraltının iletkenliği arttıkça GPR'ın etkin derinliği azalmaktadır. Bunun en önemli sebebi iletkenliğin yeriçine gönderilen EM dalganın ısıya dönüşmesindeki rolüdür. Yeraltındaki iletkenlik arttıkça GPR tarafından yere gönderilen EM dalgalar hızla ısıya dönüşür ve sonuç olarak araştırma derinliği azalır. Yeraltı radarında yüksek frekanstaki dalgalar düşük frekanstaki dalgalar kadar derine inmemektedir; ancak yüksek frekansta alınan ölçümlerde ortamına göre değişmesine rağmen genelde oldukça yüksek çözünürlükte haritalama yapılabilmektedir.

Yeraltı radarı ölçümlerinde frekans en önemli değişkendir ve birçok parametrenin belirlenmesinde rol oynar. Eğer çalışma derinliği (d) çözünürlüğü ön planda ise uygun frekans:

f=150/(d √ ԑ) (Mhz)

ile bulunur. Burada derinlik, çözünürlüğü hedeflenen derinliğin %25 i olarak alınır.

Uygulamada çözünürlük ölçütü ve penetrasyon derinliği koşullarına 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 √ ԑ) (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 ucuca dizgeler de kullanılır. Uygulamalarda anten aralığı araştırma derinliğinin 4.5'te biri veya daha azı alındığında iyi sonuç elde edildiği görülmüştür. Derinliğe bağlı olarak deneysel bağıntı:

Danten =2xderinlik/√ ((ԑ-1)) (m)

ile verilir.

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.