Je možné s georadarem dosáhnout do hloubky 1 km?

Pokud tuto otázku položíte geofyzikovi nebo někomu, kdo běžně pracuje s georadarem, řekne vám většinou, že to možné není. A mají pravdu, pokud vycházejí z praktických zkušeností a z běžně používaných výpočtů. Pojďme se na tuto problematiku podívat trochu z jiného pohledu.

Hloubkový dosah georadaru se nechá jednoduše spočítat z jeho dynamického rozsahu, který udává výrobce (tedy měl by ho uvádět, zkuste si projít světoznámé výrobce GPR, všichni mají tuto hodnotu vysokou, ale téměř nikdo ji neuvádí číselně). Je to hodnota v decibelech a pokud ji vydělíme hodnotou útlumu vlny v nějaké hornině, která má rozměr dB/m, dostaneme hloubkový dosah.
Příklad: georadar má dynamický rozsah DR = 126 dB, hornina má 10 dB / m.
Hloubkový dosah je 126 / 10 = 12,6 m
Tuto hodnotu musíme ještě dělit dvěma, protože vlna po odrazu jde ještě zpět nahoru, takže výsledek je 6,30 m.

S útlumem v hornině asi moc nepohneme, takže pro větší hloubkový dosah musíme zvětšit dynamický rozsah georadaru, hodnotu DR.
Hodnota DR je zjednodušeně řečeno vyjádřena poměrem hodnoty napětí na vysílací anténě a hodnotou nejmenšího napětí na přijímači, kterou jsme schopni rozpoznat a zaznamenat. Závislost není lineární, vzorec je:

DR = 20* log (U1 / U2)

DR - hodnota v dB
U1 – napětí pulzu na vysílací anténě ve voltech
U2 – nejmenší napětí na přijímací anténě, udává se jako citlivost přijímače, ve voltech

Hloubkový dosah tedy jednoduše zvětšíme tím, že použijeme vyšší napětí na vysílači a použijeme velmi citlivý přijímač. V praxi to tak jednoduché není, podívejme se podrobněji na jednotlivé prvky pro stanovení hloubkového dosahu.

1. Vysílač. Běžné georadary mají  příkon 20-100 W a generují pulzy o velikosti 100 -1000 V. Generátory pro vytváření pulzů jsou tranzistorové a jejich výkon je limitován maximálními hodnotami napětí, které nelze překročit. My používáme jako zdroj pulzů jiskřiště připojené k anténám. Pulzy mají podle typu vysílače napětí 10-20-30 kV. Příkon je 5 až 20 W podle výstupního napětí a frekvence pulzů. Pulzy těchto jiskřišť mají délku trvání typicky kolem 3 ns, to jsou tři miliardtiny vteřiny. Pulz se vytvoří velmi jednoduše, že se nabijí kondenzátory a vybijí se do antény přes jiskřiště. Energie jednoho pulzu se nechá spočítat:

W = 1 / 2 * C * U2

Při použití kondenzátorů 2 x 100pF a napětí 20 kV je energie pulzu asi 0,04 W při 3 ns. Výkon se ale uvádí ve wattech za vteřinu. Musíme tedy tento výkon násobit hodnotou 333.000.000, pak výkon přepočítaný na jednu vteřinu je vice než 12 MW, ano megawatt. Vysílač ale generuje 400 pulzů za vteřinu, to pak vychází na 4,8 GW. A napětí jiskřiště se může nadále zvyšovat, výkon roste s druhou mocninou napětí, zde nejsou žádná omezení…kdyby se nám podařilo využít energie blesků za bouřky, stačil by nám jenom přijímač… Pro nás je ale nyní důležitý závěr, že napětí na vysílací anténě může být 20-200x vyšší, než u běžných georadarů. To má samozřejmě velký vliv na zvýšení dynamického rozsahu georadaru DR.

2. Přijímač. V prostoru kolem nás je velmi silný elektromagnetický smog. Námi používané antény jsou širokopásmové, takže zachycují frekvence rušení od desítek kHz přes dlouhovlné vysílače, středovlné vysílače, různá amatérská pásma až po VKV. Zvyšování citlivosti přes určitou hranici by vedlo k zahlcení vstupního dílu přijmače. Běžné georadary mají pevně nastavenou citlivost kolem 100 µV. My nepoužíváme pevně nastavené zesílení, ale máme na vstupu plynule řízený útlumový článek a i regulaci zesílení v rozsahu asi 160 dB.
Při nulovém útlumu a max. zesílení máme pro plný rozsah A/D převodniku vstupní napětí 8 mV. Převodník na tomto rozsahu měří 4094 hodnot. Nejmenší měřená hodnota je kolem 2 µV.
Pro pulz z vysílače o napětí 20 kV pak vychází dynamický rozsah 180 dB. To platí pro maximální zesílení a tam samozřejmě můžeme mít několik metrů odrazů z prvních hloubek v limitaci. Máme ale také možnost měřit s vyšším útlumem a bez zkreslení do hloubek např. 50 m. Pokud nás zajímají větší hloubky a nevadí nám limitace v prvních metrech, můžeme zesílení zvýšit a tím i hodnotu DR. Rušivé signály z vysílačů a z různých zdrojů rušení se běžně odstraňují aritmetickým zprůměrováním několika přijatých pulzů. Jsou střídavé, proto se vyruší, statický odraz z podloží se nemění a zprůměrováním se zlepší i poměr signálu od šumu. Běžné georadary používají k průměrování 10-20 odražených vln (stacking). Víc časově nestihnou, protože na jeden záznam odražené vlny (krok měření) používají několik desítek odražených vln a dílčí odrazy pak skládají časově pod sebe do jedné souvislé vlny. Systém georadaru Loza např. pro záznam jednoho kroku potřebuje 128 pulzů vysílače, vlnu měří v celém časovém úseku po jednotlivých úrovních napětí a těch je 128. My jsme v této oblasti žádné kompromisy nedělali. Vlnu zaznamenáváme celou a vzorkujeme ji postupně. Používáme na to jednu z nejrychlejších součástek na světě. Umí udělat neuvěřitelné 4 miliardy měření napětí za vteřinu. To nám pak dovoluje využít efektivně všechny pulzy vysílače, průměrovat všechny odražené vlny v celé délce a hodnotu průměrování můžeme nastavit od 1 do 500. To má další kladný vliv na hloubkový dosah a zlepšení odstupu signálu od šumu.

Antény přijímače jsou rezistory dělené dipóly typu Wu-King. Jsou širokopásmové. Při centrální frekvenci antény 25 MHz máme v radarogramu zachyceny i velmi nízké frekvence 10-100 kHz. Pokud je z radarogramu odfiltrujeme, radarogram se znatelně změní. Útlum na okraji pásma antény pro tyto nízké frekvence je kompenzován výkonovým spektrem vysílače, který zde má do 1kHz největší spektrální výkon, přijímačem měříme v podstatě jen vyšší harmonické.

3. Útlum v hornině. Zde nám pomáhá sama příroda. Málo se ví, že tento útlum vln v horninách je frekvenčně závislý.
Rozdíl útlumů pro frekvenční oblast běžných georadarů (50-500 MHz) a útlumů na nízkých frekvencích (0,1-1 MHz) může být až 100 násobný. To ale také znamená 100x větší hloubkový dosah.
Zde je graf útlumů v závislosti na frekvenci pro tři horniny, od problematických mokrých jílů až po suchý písek. Levá osa má log stupnici v dB/m.
 

(Bernth Johansson, 2005; Kun Fa Leeabc, 2009)

Nevím jak se tento graf měřil, předpokládám že sinusovým průběhem vlny. Pokud ano, tak jak to pak vypadá při pulzním zatížení? Natáčíme tam polarizací orientaci molekul, při pulzu se mohou chovat jinak. Když tlačíme na sklo, vydrží velký tlak, ale když do něj jen ťukneme, tak praskne....

Vraťme se teď znovu k výpočtu hloubkového dosahu podle vzorce uvedeného na počátku tohoto článku.

Ze zobrazených grafických hodnot útlumu lze spočítat, že při dynamickém rozsahu georadaru pouze 126 dB a útlumech materiálu 0,3 dB v mokrém písku pro oblast frekvencí 15-20 MHz je dosah:

126 / 0,3 = 420   420 / 2 =  210 m

Pro nižší frekvence 0,1-1 MHz s využitím vyššího dynamického rozsahu a stackingu není žádný problém dosáhnout do více než jednoho kilometru.

180 / 0,05 = 3.600,   3.600 / 2 = 1.800 m

Samozřejmě to nejde v mokrých jílech! Předpokládáme horniny s nízkým útlumem, písky, vápence, žuly, ruly a podobně.

Námi používaný systém uspořádání georadaru je hodně ovlivněn snahou o dosažení velké hloubky. Systém jiskřišť přináší řadu technických problémů, jak zpracovat prvotní silný signál z prvních vrstev a pak ihned přejít na měření napětí v mV a µV. Jiskřiště si „prská“ zcela nezávisle a kdy chce. My musíme začátek výboje zachytit a ihned spustit měření odražené vlny, vše se děje rychlostí světla. Musíme vyrovnávat intenzity pulzů, protože nejsou všechny stejné. Přesuny velkých množství dat uvnitř přijímače jsou na hranici technických možností a rychlost elektřiny ve vodičích nám přestává stačit. To je patrně důvod, proč zatím nejsou konkurenční výrobci.

Antény georadaru pro nízké frekvence nejsou stíněné proti odrazům od předmětů nad zemí. V současné době nevím o stínícím materiálu, který by byl účinný pod frekvence 50 MHz. Již na 100 MHz jsou problémy se stíněním. Ano, zachytáváme všechny vzdušné odrazy. Kromě hyperbol se nechají velmi dobře z radarogramů odstranit.
Při hloubkových měřeních se vyskytují do hloubek 30-80 m. Zde se využívá schopnosti odrazu vlny od objektů o určitém rozměru, pod frekvencemi 20 MHz vzdušné odrazy od drtivé většiny objektů vymizí. Vlna je tak dlouhá, že se od nich neodrazí. Pod 5 MHz tam mohou zůstat jen odrazy od vedení VVN, které je velmi dlouhé. I tyto odrazy mizí pod frekvencí 2 MHz. V těchto případech je zajímavé měření v lese, který se asi  pod 20 MHz chová jako perfektní tlumící materiál. Nemáme problémy se vzdušnými odrazy pod 20 MHz. Velký problém to je mezi 25 -100 MHz.

Co se týká bezpečnosti a ochrany zdraví v těchto pulsních polích, pak norma pro ochranu zdraví vychází ze síly pole a časového účinku. Nechá se spočítat, že vteřinový účinek energie pole z vysílací antény  je asi 100x nižší než od běžného mobilu. Navíc energie pulzu je směrována do země při kontaktu antény se zemí a to v závislosti na vodivosti a permitivitě.
Intenzitu elmag. polí pod 30 MHz žádná norma neřeší. Ani nová norma pro georadary z roku 2020 neřeší frekvence pod 30 MHz. Vedle vysílače si můžete pustit přijímač VKV, žádné rušení nezaznamenáte. Neruší to ani mobil.
S atestem pro vysílač jsou proto problémy. Není na to norma. Frekvence vysílače je pod 1 kHz, na to norma není a měření harmonických nad 30 MHz nelze provést, protože vysílač nemá pevnou nosnou ani  modulační frekvenci, takže na to nejde napasovat ani žádná jiná norma pro měření běžných vysílačů. To je názor ředitele zkušebního ústavu pro telekomunikace v ČR.
Elektrická bezpečnost proti dotyku u vysílací antény je stejná jako u zapalovacího systému benzinových motorů nebo elektrických ohradníků. Napětí pulzu je srovnatelné, proud je ale mizivý, při dotyku to štípne. Anténa má ochranou izolaci, vysílač je na klíč. Máme atest, že vysílač nepoškozuje bobry při měření hrází. Žížaly ze země nelezou.

V současné době (2022) používáme vysílače bez antény, pulz generujeme přímo v zemi. Tím se omezilo vyzařování do vzduchu a účinnost přenosu energie do země vzrostla asi 30x, opět se prodloužil hloubkový dosah. Jak mám ale spočítat DR když tam není anténa a mám porovnávat napětí na anténách. Napětí tam samozřejmě je, ale ten pulz má spíše proudový charakter a nikoliv napěťový.
Norma na georadary je opět vedle, kdo to kdy slyšel „georadar bez vysílací antény“, to přece nejde! Bohužel se vždy najde nějaký blbec, který to udělá….

 

Radarogram do 6 km, styk dvou typů rul.