Bodenradar

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Archäologische Prospektion mit Bodenradar in der Heisterburg

Ein Bodenradar, auch Georadar, engl. Ground Penetrating Radar (GPR) oder Radio Echo Sounding (RES), erlaubt eine zerstörungsfreie Charakterisierung des Untergrundes mit hochfrequenten elektromagnetischen Wellen. In der Geophysik dient es im Wesentlichen zur Untersuchung der oberen Schichten der Erdkruste. In militärischen Anwendungen wird es zum Aufspüren von Landminen eingesetzt.

Beschreibung[Bearbeiten]

Bei diesem Radar handelt es sich um ein Ultrabreitband-Verfahren, das sehr kurze elektromagnetische Impulse von wenigen Pikosekunden bis zu einigen Nanosekunden Länge von der Oberfläche in den Untergrund abstrahlt und nach Reflexion an einer Schichtgrenze oder Objekten sowie der Streuung an Einlagerungen wieder aufnimmt. Die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen im Untergrund ist dabei stark abhängig von den im Boden befindlichen Strukturen, die Reflexion, Streuung, Beugung und Transmission der eingestrahlten Welle hervorrufen. Aufgezeichnet werden die Laufzeit, die Phase und die Amplitude der reflektierten Welle.

Für die Abstrahlung und den Empfang der kurzen Impulse werden breitbandige Antennen, insbesondere die für ultrakurze Impulse besonders geeignete Vivaldi-Antenne, benutzt. Die Arbeitsfrequenzen liegen im Bereich von 1–1000 MHz. Höhere Frequenzen verbessern die Auflösung. Andererseits nimmt die Signaldämpfung zu und damit die Eindringtiefe ab.

Radargramm[Bearbeiten]

Radarprofil über würmeiszeitliche Kiesschüttungen (Oberschwaben)

Das Bild zeigt ein Beispiel eines Bodenradarbildes. Der Abstand zwischen dunkelgrüner Sende- zur Empfangsantenne ist konstant. Jede Messung erzeugt eine Spalte im Bild. Durch Verschieben der Sende- und Empfangseinheit entlang der Profillinie erhält man eine zweidimensionale Darstellung der Reflexionen im Untergrund.

Die ersten Signale setzen nach ca. 5 ns ein. Sie haben den direkten Weg über die Luft genommen, folglich hatten die Antennen einen Abstand von ca. 2 m.

Für die Umwandlung der Laufzeit des Signals in eine Tiefenangabe (Zeit-Tiefen-Konversion) wird die jeweilige Ausbreitungsgeschwindigkeit des elektromagnetischen Signals in den von ihm durchlaufenen Medien benötigt, die von den spezifischen elektrischen Eigenschaften der jeweiligen Medien abhängt. Zur Zeit-Tiefen-Konversion müssen daher weitere geologische Informationen (z. B. aus Kernbohrungen) herangezogen werden.

Anwendungsbereiche[Bearbeiten]

Zur Erkundung des flachen Untergrundes wird das Bodenradar als nicht-invasive Methode bei geologischen und geotechnischen Fragestellungen, in der Rohstoffexploration (Sand, Kies), der Leitungsverlaufs-Erkundung und für ingenieurgeologische Untersuchungen eingesetzt. Weitere Anwendungsmöglichkeiten liegen im Bereich der Archäologie, der technischen Untersuchungen von Altlasten-Standorten (unterirdische Einbauten und Hohlräume, Auffüllungen, Leitungen und Bodenschichtverläufe) sowie im Berg- und Tunnelbau.

SHARAD Radargramm; Tiefenprofil entlang der eingezeichneten Spur auf der Marsoberfläche.

Die Raumsonde Mars Express untersucht mit dem Radar MARSIS den Marsboden in einer Tiefe von bis zu 5 km. Der Abstand der Antenne zum Boden beträgt mehr als 300 km bis maximal 800 km. MARSIS ist auch in der Lage, die Ionosphäre zu sondieren. Die Messfrequenz liegt bei 1,8–5 MHz, 0,1–5 MHz bei Ionosphärenmessung.

Die amerikanische Sonde Mars Reconnaissance Orbiter trägt ein ähnliches Bodenradar, das SHARAD (Shallow Radar). Die höhere Messfrequenz von 15–25 MHz liefert eine höhere Auflösung als MARSIS, dafür aber eine geringere Eindringtiefe. Das Bild rechts zeigt ein SHARAD-Radargramm entlang der im unteren Teilbild gezeigten Spur. Die Farben charakterisieren das Höhenprofil von Grün (Senke) zu Rot (Erhebung). Die Abschätzung der Profiltiefe erfolgte über eine Schätzung der Signalausbreitungsgeschwindigkeit im Gestein.

Bohrlochradar[Bearbeiten]

Eine weitere Anwendung des Bodenradars ist das Bohrlochradar, welches speziell für Bohrlöcher konzipiert ist. Eine Methode der Geophysik sind Testbohrungen zur Materialanalyse. In diesem Zusammenhang bieten Bohrlochradarsysteme eine wesentliche Möglichkeit der Charakterisierung der Umgebung dieser Bohrungen unter Einsatz eines nicht-invasiven Bodenradarsystems. Hauptsächlich werden Bohrlochradarsysteme mit omnidirektionalen Empfangsantennen eingesetzt, die den Abstand von Reflektoren messen, jedoch keine Information über den azimutalen Winkel. Richtungssensitive Antennen hingegen ermöglichen die Messung der Entfernung und Richtung der reflektierten Echos.

Literatur[Bearbeiten]

  • Jürg Leckebusch: Die Anwendung des Bodenradars (GPR) in der archäologischen Prospektion – 3D-Visualisierung und Interpretation. Leidorf, Rahden 2001, ISBN 3-89646-403-5
  • D.J. Daniels: Ground-penetrating radar. Inst. of Electrical Engineers, London 2004, ISBN 0-86341-360-9
  • C. S. Bristow: Ground penetrating radar in sediments. Geological Society, London 2003 ISBN 1-86239-131-9
  • Harry M. Jol: Ground Penetrating Radar – Theory and Applications. Elsevier, Amsterdam 2009, ISBN 978-0-444-53348-7
  • Günter Schlögel: Modellierung und Lokalisierung kleinräumiger Einlagerungen (Kriegsrelikte) im Untergrund mit Georadar. Dipl.-Arb., Montanuniv. Leoben 2007, [1] (pdf, 3,5 MB, abgerufen 9. März 2009)
  • Olaf Borchert: Receiver Design for a Directional Borehole Radar System Dissertation, Bergische Universität Wuppertal, 2008, [2] (pdf, 8,2 MB, abgerufen 12. Oktober 2009)
  • Jan-Florian Höfinghoff: Untersuchungen zur Anwendbarkeit von Georadar in der Bohrgarnitur. Dissertation, Leibniz Universität Hannover, 2013, ISBN 978-3-944586-23-6

Weblinks[Bearbeiten]