Yeraltı Görüntüleme Cihazları

 

Yeraltı Radarı ya da genel adıyla GPR (Ground Penetrating Radar), yeraltının sığ tabakalarının (ilk 0-40 metre) araştırılmasında kullanılan jeofizik bilimi tabanlı bir ölçüm cihazıdır.
Son otuz yıl içerisinde elektronik endüstrisinde yaşanılan olağanüstü gelişmeler, bir zamanlar zahmetli ve pahalı bir iş olan ışık hızı ölçümlerini son derece ucuz, kolay ve duyarlı bir şekle dönüştürmüştür. 1970 ’lı yıllarda milisaniye (10-3 s) duyarlıkla yapılan zaman ölçümleri, 1980’li yıllarda mikro saniye (10-6 s), 1990’lı yıllarda ise nano saniyeye (10-9 s) duyarlığa kadar inmiştir. Elektronikteki bu gelişmelere paralel olarak, yeraltında ışık hızına yakın bir süratle hareket eden elektromanyetik dalgaların yolculuk sürelerinin nano saniye mertebesinde ölçülebilmesi, sığ jeofizik görüntüleme yöntemlerine önemli katkılarda bulunmuştur. Yer radarı yukarıda söz edilen bu gelişmelerin somut bir sonucudur.
Yöntem, yatay doğrultuda elektrik alan vektörü olan (TE: Transvers Elektrik) bir verici anten aracılığı ile yer içine gönderilen çok yüksek frekanslı EM dalgalarının (radyo dalgaları) ara yüzeylerden yansımasının (echoes) gözlemlenmesi ilkesine dayanmaktadır. Yeraltında, her iki tarafı farklı dielektrik özellikte kayaçlardan oluşan bir ara yüzey varsa, elektromanyetik dalga bu ara yüzeyde yansıma ve iletime uğrayacaktır. Dalga şekli olarak sürekli veya Chirp adı da verilen birkaç nano saniye süreli elektromanyetik imler kullanılır. Kaynak dalgası için seçilen bir merkezi frekansın %50 altı ve üstü aralığındaki frekanslar kullanılır. Örnek olarak 100 Mhz merkez frekanslı kaynakta 50 MHz den 150 Mhz e kadar bir aralık kullanılır. Yer radarı (Ground Penetrating Radar, GPR) ilk önce buz kalınlığının ölçülebilmesi için geliştirilmiştir. Normal yer ortamında yapılan çalışmalarda elde edilen verilerin sismik yöntemlerde kullanılan veri işlem teknikleri ile işlenmesi sonucunda 10 - 20 m gibi araştırma derinliğine ulaşıldığı görülmüştür. Günümüzde ise GPR yöntemi sığ yer araştırmaları ile arkeometri çalışmalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Kullanım yerlerine örnekler aşağıdaki gibi verilebilir :
Yer araştırmaları: Yol, havaalanı, baraj, su kanalı, santral, yerleşim alanı yer araştırmaları,
Tünel Araştırmaları: Demiryolu, karayolu, su tünelleri, tüp geçitler, maden galerisi araştırmaları,
Yapı Araştırmaları: Tavan, taban ve duvarların incelenmesi, restorasyon amaçlı araştırmalar,
Arkeojeofizik Araştırmaları: Antik şehir, tapınak, mezar, duvar, temel, dehliz ve benzeri tarihi kalıntıların bulunması,
Endüstriyel atık, sızıntı ve çevre kirlenmesinin araştırılması: Eski veya kaydı bulunmayan endüstriyel atık alanlarının bulunması, fabrika, akaryakıt istasyonu, su yolu vb. kaçak ve sızıntılarının belirlenmesi, çöp boşaltım alanlarının yer araştırmaları,
Eski veya kaydı bulunmayan şehir altyapılarının araştırılması: Eski kanalizasyon, su yolu, kanal, boru, sığınak, elektrik ve telefon hatlarının bulunması,
Adli ve Adli Tıp: Cezaevi firar tünellerinin tespiti, ceset ve toplu mezarların yerlerinin bulunması,
Yeryüzü ve galerilerde maden Araştırmaları: Yüzeye yakın (40 metreye kadar) madenlerin aranması ve rezerv geliştirme, galeri sürülerek yapılan maden (kömür) araştırmaları, göçük ve maden kazalarında ilk yardım amaçlı çalışmalar.

 

GPR Kuramı
Bağıl permittivite K, sığalara ait dielektrik sabiti ile eşanlamlıdır. Bir sığaya ait dielektrik sabitinin büyümesi, o sığanın kutuplanma yolu ile daha çok elektromanyetik enerji biriktirebilmesi anlamına gelir. Bir maddenin yapısını oluşturan nötr durumdaki moleküller, üzerlerinden geçen elektromanyetik dalganın etkisi altında kutuplanırlar ve içerilerine elektromanyetik enerji depolarlar. Bunun hemen ardından söz konusu enerjiyi tekrar elektromanyetik dalga olarak geri verirler. Elektromanyetik dalga madde içerisinde bir molekülden diğerine bu şekilde ilerler. Olay bu açıdan sismik dalgaların madde içindeki ilerlemesine çok benzemektedir. Fakat elektromanyetik dalgalar madde olmaksızın uzay boşluğunda da ilerleyebilirler. Sismik dalgaların ilerleyebilmesi için ortamın maddeden oluşması şarttır (Sismik yansıma katsayısının tanımındaki yoğunluk parametresinin nedeni). Yere gönderilen elektromanyetik sinyal harmonik bir yapıda olup etken bir frekans içermektedir. Bu frekansın değeri nüfüz derinliğini, soğrulma miktarını ve saçılma derecesini belirler. Söz konusu frekans 10 MHz den küçük olduğunda, nüfüz derinliği artarken iki olumsuz durumla karşılaşılır:
1.düşen frekansla birlikte düşey çözünürlüğün azalması,
2.düşük frekanslarda madde içerisindeki kutuplanabilir unsurların kutuplanmak yerine asıl konumlarını terk ederek elektrik iletkenliğe (akım) neden olmaları.
Düşük frekanslarda elektromanyetik enerjinin elektrik iletkenliğe dönüşmesi soğurulmanın başlıca nedenidir. 300 MHz den yüksek frekanslarda ise madde içerisindeki kutuplanabilir unsurlar asıl yerlerini terk etmete fırsat bulamayacaklarından elektrik iletkenliğin neden olduğu soğurulmadan etkilenmeyeceklerdir. Bununla beraber yüksek frekanslarda bir etki-tepki gecikmesi sorunu yaşanacak, bunun sonucu artan frekansla birlikte bağıl permittivitede frekans bağımlı bir azalma söz konusu olacaktır. Öte yandan frekans arttıkça düşey çözünürlükte bir iyileşme olurken, bu kez nüfüz derinliği azalmaktadır. Yüksek frekanslar yer radarı kesitlerinde fazla sayıda saçılma hiperbolünün de ortaya çıkmasına neden olmaktadır.
Yukarıda yapılan tartışmalardan anlaşılacağı üzere, yeraltı ne kadar dirençli (az iletken) ise, yer radarı görüntüleri o kadar kaliteli olmaktadır. Nüfuz derinliğinin önemli olduğu durumlarda, ortamın mümkün olduğunca kuru (rutubetsiz) olması gerekmektedir. Elektromanyetik dalgalar yeraltı su seviyesine ulaştıklarında göreceli olarak daha iletken bir ortama girmektedirler. Bu söz konusu ıslak seviyede, hem önemli bir bağıl permittivite farklılaşması (kontrastı) oluşmakta, hem de elektrik iletkenliğin bu seviyedeki ani artışı nedeniyle, yansıyarak yeryüzüne gelen elektromanyetik imin genliğinde ve yüksek frekans içeriğinde soğrulmaya bağlı olarak önemli azalmalar görülmektedir. Bunun sonucu olarak yer radarı kesitlerinde, yeraltı su seviyesinden itibaren derinlere doğru inildikçe, soğrulmaya bağlı olarak genlik ve yüksek frekanslar azalmakta, kesitte yeraltı su seviyesinin altındaki bölümlerde enerji ‘süpürülmüş’ bir görünüm sunmaktadır.