Čtení radarogramu

Jak georadar měří a co vše je možné z radarogramu vyčíst.

Georadar má vysílač impuzů a přijímač. V okamžiku vyslání impulsu do půdy přijímač okamžitě přijímaná data začne ukládat tak, jak přicházejí. Odrazem pulzu je souvislá vlna, která mění fázi a velikost amplitudy. Vlna mění fázi (barvu) pouze pokud prochází prostředím, kde se mění permitivita, vodivost nebo obojí najednou. Z tvaru této přicházející křivky lze usoudit, jakým prostředím vlna prochází, zda rozhraní vlastností je náhlé (skála-vzduch) nebo pozvolné (suchý písek-mokrý písek).Tuto vlnu si můžeme zobrazit v jakémkoliv bodě měření, kladná amplituda je červená, záporná modrá, kolem středu je žlutá barva. Barevné spektrum ale může mít různé pořadí barev, pomůže nám pak pomoci hledat i malé změny ve vlastnostech hornin. Vložením například bílé barvy pro jednu hodnotu do škály červené, můžeme vytvořit izolinii. Barevná stupnice pro zobrazení hodnot od -2047 do 2047 je zobrazena vpravo dole pod vyobrazením vlny.

Radarogram a vpravo průběh vlny ve zvoleném místě.

Záznam této vlny je vlastně jeden velmi úzký svislý sloupeček v barevném obrázku (označeno kurzorem) převedený do barev. Z těchto sloupečků se skládá celý radarogram. Další hodnota, kterou měříme kromě amplitudy a fáze, je čas. Zdálo by se poměrně jednoduché zjistit hloubku, ve které nějaké objekty leží. Problém je v tom, že rychlost vlny se mění v závislosti na materiálu, kterým vlna prochází. V řadě měření je situace usnadněna tím, že jednotlivé vrstvy jsou uloženy vodorovně. Pokud takové souvrství najdeme, je jednoduché změřit v této oblasti rychlosti šíření v jednotlivých vrstvách (lze určit i jednotlivé permitivity vrstev) a tím se dopracovat k hloubce hledaných objektů. Nemůžeme ale změřit tyto vlastnosti v nejspodnější vrstvě, paprsek tam  nemá možnost odrazit se od další rovné vrstvy. Pak se tato rychlost šíření musí odhadnout z tabulek pro daný typ horniny v tomto místě. Pokud to není možné, musí se provést vrt. Ten nám samozřemně určí také tloušťky všech horních vrstev v místě vrtu. Pokud horizontální vrstvy v radarogramu nejsou, dosazuje se tabulková hodnota rychlosti vlny pro daný materiál. Chyby většinou nepřesahují 20%.

Měříme -li nějakou rovnou geologickou vrstvu např pod 5 m vrstvou navážky, ve které se mění často rychlost šíření vlny - nebude z těchto důvodů spodní vrstva nikdy zobrazena jako rovná. Pokud jsou například pravidelné horizontální vrstvy na malé vzdálenosti "vyklenuty" směrem nahoru, někdy i s dalšími vrstvami dole, může to být způsobeno tím, že ned vrstvami došlo ke zrychlení šíření vlny - prostor je např. sušší než okolí nebo tam může být dutina. Pokud by byla vrstva vychýlena dolů, je to důsledkem prodloužení doby průchodu vlny materiálem (např. mokrá hlína v suchém písku). Této vlastnosti se často využívá při hledání dutin, tam vlna zvýší rychlost asi 3x. V radarogramech je pak někdy zobrazena levá stupnice pro rychlost vlny ve vzduchu a na ní pak můžeme zjistit výšku dutiny se vzduchem (za předpokladu, že tam je vzduch).

Další úskalí ve vyhodnocení radarogramu je v tom, že my vlnu zaznamenáváme v obrázku jako svislý sloupec bodů kolmo pod georadarem, ale vlna se v zemi šíří jako rozšiřující se kužel s polokulovým vrchlíkem a my zaznamenáváme změny v celém vrchlíku tohoto kuželu jako jeden bod (v určitém čase). Není možné pro měření v zemi používat takové směrové antény, jako pro zaměřování polohy letadel, které mají mnohem užší vyzařovací diagram. Výhodou v našem případě je, že anténami georadaru můžeme po zemi pohybovat a tak zjistit, jestli se k hledanému objektu přibližujeme nebo se od něj vzdalujeme, ale to jestli je ten objekt vlevo nebo vpravo od směru pohybu měření, nedokážeme určit. Nezbývá než provést několik rovnoběžných měření, nebo udělat jedno měření kolmo na původní směr v místě nalezené anomálie.

Protože dokážeme vyhodnotit pouze změny vlastností materiálu v určité ploše, ve výsledném obrázku nikdy nenajdeme např. hledanou štolu jako ostře ohraničený obdélník. Velmi dobře uvidíme strop, někdy náznak stěn a málokdy dno. Navíc obraz pod stropem štoly se zdeformuje, prohne se směrem nahoru, protože se nám po průchodu stropem ve vzduchu několikrát zrychlí šíření vlny a ke dnu štoly vlna vzduchem dorazí mnohem dříve než skálou ke skále, která je v úrovni tohoto dna. To nám ale zase pomůže takový objekt lépe zviditelnit a někdy určit i výšku dutiny. Za určitých podmínek se vlna může odrážet i mezi dnem a stropem, pak vzniká řada rezonančních odrazů, které se časově zapisují pod první odraz od stropu jako sloupec odrazů směrem dolů. Musíme mít také na paměti, že vlna se odrazí zpět k přijímači pouze u objektů vodorovných nebo do sklonu asi 40 °, pokud je sklon vyšší, vlna se odrazí do boku nebo sklouzne dolů a nevrátí se. Vertikální anomálie se proto někdy velmi špatně detekují.

Geologický zlom s řadou kolmých trhlin, břidlice.

V horninách, kde se může vlna šířit horizontálně (mezi vrstvami) nebo v horninách s malým útlumem, vznikají od vertikálních anomálií odrazy ve tvaru skloněné přímky, která na okraji anomálie končí a pokračuje na druhé straně pod opačným sklonem. Ze sklonu těchto přímek se nechá určit rychlost šíření vlny v této oblasti. V množství odrazů na horním obrázku jsou i dvě obrácené hyperboly, najdete je? Jsou to odrazy od dvou průzkumných štol. Měřeno u přehrady ve Štěchovicích.

Hyperboly u výrazných objektů vznikají proto, že georadar je ještě kus před objektem, ale vlivem kuželové charakteristiky antény již od tohoto objektu dostává odraz s menší intenzitou a s delším časem a tím i větší hloubkou, než odpovídá skutečné hloubce objektu.  Program zakresluje tento objekt kolmo pod místo měření. Pokud se k objektu georadar blíží, narůstá nám z těchto odrazů před objektem hyperbola, která má vrchol v místě, kde jsme objektu nejblíže (nemusíme být přímo nad objektem, může být vlevo nebo vpravo, jsme jen k němu nejblíže!), při dalším pohybu georadaru hyperbola opět klesá a snižuje se intenzita odrazu. Na obrázku dole jsou kořeny v jílových sedimentech. Našly si místo přesně tam, kde je nejvíce vody, těsně nad skalním podložím. Hyperboly vznikají pouze v horninách s malým útlumem nebo v malých hloubkách, vlna se zde šíří více do stran. Hyperboly mají velký význam v tom, že vyhodnocovací program z jejich tvaru dokáže určit rychlost šíření vlny a následně velmi přesně i hloubku nalezené anomálie.

Odrazy od kořenů a vpravo červený odraz od 2 m široké štoly.

Radarogram kořenů v jílových sedimentech

U výrazných osamocených objektů vznikají na místě ostrého přechodu permitivity tři fáze odrazu. První a třetí fáze jsou většinou slabší nebo tam nemusí být vůbec. Pokud je shora sled fází červená - modrá - červená, jedná se o objekt, který má větší vodivost nebo permitivitu, než je v materiálu nad ním (např. kovy, dutiny s vodou...). Pokud je shora sled fází  modrá - červená - modrá, jedná se o objekt, který má nižší vodivost nebo permitivitu, než je v materiálu nad ním (např. dutiny, suchá místa ...). To má velký význam při hledání inženýrských sítí, kde se daří rozpoznávat potrubí od kabelů, pukliny s vodou nebo se vzduchem... V případě obrázku s kořeny je sled barev č-m-č, kořeny mají vyšší obsah vody než okolí. Dutina na pravém obrázku by měla mít opačný sled barev, zde ale schází ty krajní fáze, je zde jen výrazná červená (vzduch), modrý odraz od dna a červený odraz je znovu průchod vzduchem, ale směrem nahoru. Vlna se zde odrazila od dna a pokud se mezi stropem a dnem několikrát zobrazí (rezonuje), může vznikat celý sloupec odrazů směrem dolů, protože odrazy zapisujeme podle času. Tato teorie odrazů platí pro ffekvence asi od 18 MHz výše.

U nižších frekvencí pod 18 MHz se vlna chová trochu jinak. Změna fáze na nějakém objektu je často jen jedna (ta prostřední nejsilnější) a je závislá na velikosti a rychlosti změny permitivity. Na nízkých frekvencích se měří do větších hloubek. Horní vrstvy do několika metrů mají většinou rychlé přechody a fáze tak rychle mění polaritu podle vlastností materiálu - jde o spektrum nad 18 MHz. Pokud je ale v podloží změna vlasností vrstev pomalá (např. klesá nebo roste podíl vody v hornině), začne se nám měnit tvar pulzu, který vyslal vysílač. Pulz se začne se deformovat a podle některých teori i zkracovat. To má samozřejmě vliv i na odraženou vlnu a hloubkový dosah. Hloubkový dosah omezuje ve velké míře zvýšená vodivost v horninách. Ve slané mořské vodě se prakticky neměří, je tam vysoký útlum, v jezerech je také vyšší vodivost vody vlivem solí a dosah se značně zkracuje. O těchto vlastnostech nám do určité míry podává informaci odražená vlna. Pozvolné přechody v permitivitě zobrazuje jako přechod fází s velkým sklonem. V hodně vodivém prostředí se vlna vychýlí do levé poloviny grafu a budˇ tam již zůstane nebo se vrátí k nule. Pokud překmitne do pravé poloviny, zůstává procházejícímu pulzu ještě nějaká energie. Tyto změny se projeví na radarogramu jako odrazy, protažené směrem dolů - nízkofrekvenční chvosty (z ruštiny). Pod nimi již nelze spolehlivě vyhodnocovat vlastnosti horniny, přestává zde platit teorie šíření vlny.

Radarogram z vrchu Vejcina u Mělníka. Nahoře vrstvy písků s přirozenou vlhkostí, mezi 6-12 m přechodová oblast, kde se střídavě mění permitivita, pod 12 m je vápencová hornina. Vlna zde překmitne do pravé strany, do materiálu s nízkou permitivitou a také s malou vodivostí, to představuje malý útlum a předpokladem bude velký hloubkový dosah.

Níže je radarogram na vyvýšeném břehu Labe. Odražená vlna po průchodu modrou vodivou oblastí velmi rychle ztrácí svoji intenzitu. Kolem hloubky 50 m je již na nulové hodnotě. Pod touto hloubkou již nejsou vidět žádné podrobnosti. Malé změny jsou pro lepší viditelnost ohraničeny izoliniemi, jsou protažené.

Dole jsou pěkné čisté odrazy ve vápencích. Je to z lomu Velká Dohoda poblíž Macochy. Zde dutiny mají dobře čitelný sled barev, m-č-m.

Od výrazných vrstev pod povrchem se signál při průchodu zespodu může částečně odrazit zpět pod zem a znovu dojít k anomálii, od které se odrazil. Protože k přijímací anténě dojde se značným zpožděním, zapíše se v radarogramu pod tuto anomálii jako řada slábnoucích odrazů v pravidelných rozestupech (tlumená rezonance). Velmi výrazně se takto chová vodní hladina,  při průchodu vlny od spoda se vlna od rozhraní voda - vzduch odráží zpět pod vodu. Odraz dna tak bývá často dvojitý. V programu je na odstranění těchto rezonancí speciální filtr.

Měření na Dunaji, spodní odraz na hloubce 5-7m je kopií průběhu dna, ve vodě je vlna asi 3x pomalejší, proto je tak hluboko.

Signál z vysílací antény se také šíří vzduchem do okolního prostoru a od větších nebo vodivých předmětů se opět může odrazit a být přijat anténou. Tyto odrazy v radarogramu vidíme jako velmi široké, táhlé hyperboly nebo přímky, podle toho jak se s georadarem vůči objektu pohybujeme. Ze známého času odrazu a z rychlosti šíření vlny ve vzduchu se nechají tyto objekty snadno rozpoznat a určit v prostoru. Dlouhý modrý odraz dole je vzdušný, pod ním vpravo je odraz s užší hyperbolou, odpovídá mnohem pomalejší rychlosti šíření, objekt je tedy pod dnem řeky.

Záznamový program Spirio jsme proto vybavili dvěmi stupnicemi, jedna platí pro horniny, druhá (vlevo, volitelná) pro vzduch a to nám pomůže velmi rychle odhalit při měření vzdušné odrazy. Při dalším zpracování je pak můžeme z radarogramů do značné míry odstranit.

Určitým paradoxem vzdušných odrazů je měření velmi dlouhými anténami (pod 25 MHZ) v lesích. Měříme většinou do velkých hloubek a s velkým výkonem. Mohli bychom se obávat vzdušných odrazů od různých nadzemních vedení do vzdáleností několika km, ale les se chová jako perfektní tlumení a taková měření jsou od určité hloubky (po odrazech od blízkých stromů) bez vzdušných odrazů. Vlna se ostatně odráží pouze od objektů které jsou větší než asi 1/4 délky vlny, pod 10 MHz vzdušné odrazy od běžných předmětů prakticky vymizí, zůstávají jen odrazy od dlouhých vedení NN a VN. Radarogramy do velkých hloubek se fltrují do rozsahu 0-2 MHz a tam jsou i odrazy od dlouhých vedení jen vyjímečně.

Tak to byly vodorovné vrstvy a teď jsou tady ještě změny ve vodivosti a permitivitě svislých vrstev, které nám způsobí to, že ten kuželový paprsek nám začne uhýbat do stran nebo se začne měnit jeho šířka. Pokud máme v mokré hlíně ve  2m výkopu kabel, zasypaný suchým pískem, je chyba lokalizace do stran až 1 m. To je jistě extrémní případ, ale i tato odchylka může nastat, zejména při zaměřování objektů ve větší hloubce pod zemí. Vertikální objekt může způsobit i to, že pod ním nejsou zřetelné odrazy, pohltí nám vlnu nebo se vlna od něj odrazí hodně šikmo a zmizí v hloubce. Takže i to, že tam nejsou odrazy, může být indicie, že je zde nějaká anomálie.

Celý postup šíření vlny se nechá přirovnat k tomu, jako bychom v kalné vodě měli najít objekty na dně a měli bychom k dispozici pouze nafukovací balónek, který můžeme v každém místě postupně nafukovat a zjišťovat, kdy se dotkne pevné překážky. Pokud vrstvu vody nahradíme vrstvou oleje, vody a rtuti (ve skutečnosti je to spíše obráceně - a to se nám ten balonek pak pěkně zdeformuje), tak dostaneme představu o tom, co georadar někdy měří. Ještě že máme na pomoc grafické zobrazení na PC a SW na vyhledávání objektů a frekvenční filtraci. Někdy pomůže i modelování zvolených situací, které nám ukáží, jak by měl radarogram za určených podmínek vypadat.


Potlačení nedostatků radarogramu softwarem

Program na zpracování radarogramů má různé frekvenční filtry, jak výše uvedené nedostatky v radarogramu částečně nebo zcela potlačit. Můžeme zdůraznit pouze některé frekvence, ty rušivé zase potlačit. Můžeme omezit zrcadlové odrazy, vyfiltrovat vzdušné odrazy atd. To nám pomáhá zviditelnit i malé rozdíly v chování vlny a zjistit nevýrazné a hluboko uložené objekty. Od roku 2020 máme ve Spiriu kromě frekvenčních filtrací i filtry, používané v tomografii. Můřeme s radarogramem pracovat jako s obrázkem, lze zesilovat a filtrovat drobné změny v kontrastech, které jsou na první pohled neviditelné. Za hodinu se georadarem nechá naměřit tolik dat, že je pak můžeme desítky hodin filtrovat a vyhodnocovat, popisovat....

Programy pro georadary mohou simulovat i odrazy, které bychom měly změřit na zadané modelové situaci. Znalost těchto odrazů nám pak zpětně pomáhá správně interpretovat naměřené radarogramy. Spodní oblouk např.vzniká odrazem na jeho nejnižším bodě. Přímky vedou k horním rohům, nejsou to odrazy od šikmých ploch. Takových modelů najdete na inetu celou řadu.

 

Měření na nízkých frekvencích cca od 0,5 do 30 MHz.

Na popis šíření a odrazu elektromagnetických vln existuje celá teorie. Na frekvencích do 18 MHz ale vznikají v zemi odrazy, které nejdou dost dobře touto teorií vysvětlit, zejména změny fází pro různé uspořádání antén a větší hloubkový dosah, než teorie předpokládá. Na frekvence pod 30 MHz zatím nebyly v EU přijaty normy pro omezení výkonu vysílačů. Na těchto nízkých frekvencích se dosahuje odrazů z velkých hloubek, změny ve fázy vlny jsou často pozvolné a nám to umožňuje sledovat jejich malé změny vhodným přiřazením barev k hodnotám intenzity odražené vlny. Dlouhá vlna se odráží pouze od velkých anomálí, ty malé nejsou vidět nebo jsou nízkými frekvencemi zcela překryty. Pokud data zobrazíme pouze do frekvencí 20 MHz dostaneme obrázek dole vlevo. Stejná data s frekvencemi od 25 do 60 MHz jsou vpravo. První obrázek nás informuje hlavně o změnách vodivosti a permitivity, to je dáno především obsahem vody. Je to část radarogramu, měřeného v poušti Gobi. Jedné se o výchoz rudné žíly na vzdálenosti kolem 185 m. Povrch výchozu je překryt pískem, na hloubce 4 m se objevují zkorodované oblasti výchozu v červené barvě. Voda zde prakticky není, přesto je radarogram kontrastní. Výchoz žíly můžeme situovat mezi 180-190 m. Obrázek vpravo nám velmi dobře ukazuje strukturu odrazů ve skalním podloží. Nechá se zde najít jedno horizontální rozhraní vrstev na hloubce kolem 15 m, které na nízkých frekvencích není patrné. Rychlé sřídání intenzivních maxim a minim odrazů je na svislé linii na vzdálenosti 187 m. To je přesně místo pro zkušební vrt.

Takovéto zobrazení v širokém spektru umožňují pouze data z georadaru ROTEG se širokopásmovými anténami.

Kombinací obou obrázků dostaneme výsledek:

 

Takto vypadá použití izolinií. Výchoz nějaké horniny v šířce 10m, poušť Gobi.

 

A v našich krajích se hledá voda v místech s nejvyšší vodivostí podle těchto radarogramů. Povrchová zvodeň je zde v modré oblasti. Místo pro vrt na vodu např. kolem 25 m do hloubky 30 m. Červené špičky směrem nahoru ukazují místa s trhlinami s nízkou permitivitou (vzdálenost 35 m), zde voda není nebo odtéká prasklinami dolů. Tento způsob vyhledávání vody pomocí nízkých frekvencí je např. v Rusku státem uznávanou vědeckou metodou.

Pokud změříme dostatečné množství radarogramů a anomálie vyznačíme do mapy, můžeme pak určit i jejich průběh v podloží.

Antény tažené za autem, modré body jsou pozice podle GPS, proto tam jsou takové velké poloměry. Měřený prostor cca 70 x 90 m, změřeno za 10 minut. Červeně trhliny s vyšším obsahem vody.

Na závěr je třeba říci, že zpracování a vyhodnocení naměřených dat je vždy individuální. Záleží na zvolených parametrech filtrování dat i na pořadí použitých postupů. Výsledek je vždy k diskuzi, za jakých podmínek se měřilo, jaké tam bylo podloží, co se odstranilo z radarogramů, co se zesílilo a co je asi to, co tam zbylo.

Lidé mají tendenci pohlížet na radarogramy jako na vše ostatní, co kolem sebe vidí. Oni ale pak pozorované věci spojují s dřívějšími zkušenostmi a pak to vyhodnocují. U radarogramů ale ty zkušenosti nemají, tak na ně aplikují ty, které mají ze svého okolí. To je ale zásadní chyba. Příklad: Pokud někomu ukáži tužku a zeptám se co vidí, bude mi tvrdit, že to je tužka ze dřeva, lakovaná nějakou barvou a uvnitř je černá tuha. Tak to ale ve skutečnosti není! Jediné co mohu tvrdit je, že vidím odraz např. slunečních paprsků určité barvy, které mají určitý tvar. To je vše! Nejsme schopni z pouhého pohledu určit materiál čehokoliv, musíme přijít blíž a prozkoumat to jinými prostředky než jen pohledem (v našem případě vrt do podloží). A tak je třeba posuzovat i radarogramy, vidíme pouze spektrum odrazů a co to je, o tom můžeme diskutovat za použití určitých předpokladů.

Nejčastějším dotazem je: "Jak hluboko ten georadar vidí?"  Neslušně odpovídám otázkou: "Jak daleko vidíte v mlze?" " No...to záleží...."  Ano,  to záleží na tom jak ta mlha je hustá (jaký má materiál útlum pro vyslanou elektromagnetickou vlnu). Jestli se díváme v noci, nevidíme nic. Když použijeme baterku (silný vysílač elmg. vln) tak vidíme nejprve tu mlhu a pokud máme říci jak daleko mlhou vidíme, tak vidíme na takovou vzdálenost na které ještě rozeznáme nějaký předmět (odraz vlny od nějaké anomálie). Pokud tam žádný předmět není, nedokážeme říci jak daleko vidíme.

Ne vždy tedy to co vidíme, je to, co vidíme...."Není všechno zlato, co se třpytí." A pro vyhodnocování radarogramů to platí dvojnásob.

Tak to je základní kurz pro čtení radarogramů a teď již můžete "odborným" okem prohlížet jakékoliv výsledky našich měření.