GPR nedir?
Yer Radarı
ve ekranı
alıcı ve anten
mahfazası
Resim 1: Yer Radarı çalışırken,
© 2010 İsveç Tarih Müzesi, Stockholm
ve ekranı
alıcı ve anten
mahfazası
Resim 1: Yer Radarı çalışırken,
© 2010 İsveç Tarih Müzesi, Stockholm
dalgacık (wavelet)
Resim 2: Kullanılan merkez frekansının değeri, radarın toprağa işleme derinliği ile çözünürlük yeteneği arasında yapılan bir seçime bağlıdır.
dalgacık (wavelet)
Resim 2: Kullanılan merkez frekansının değeri, radarın toprağa işleme derinliği ile çözünürlük yeteneği arasında yapılan bir seçime bağlıdır.
Yer Radarı
Yer Radarı (Ground Penetrating Radar, GPR) optiksel olarak şeffaf olmayan (örneğin toprak, beton, tuğla duvar, asfalt, taş ya da buz gibi) gömülü ve örtülü nesnelerin ya da katmanların yerlerini belirlemek ve haritalamak için kullanılan jeofiziksel bir araştırma yöntemidir. Bu hasarsız araştırma yöntemi 1970 li yıllardan beri çevre incelemelerinde, makine üretiminde ve arkeolojik araştırmalarda kullanılmaktadır. Bir tipik yer radarı Ultra Geniş Bantlı Radarın kullanımının başarılı bir örneğidir. 1 m ye kadar işleme derinliğine sahip bir tipik yer radarı 300 MHz ila 3 300 MHz bant aralığında çalışır. Diğer araştırma yöntemlerine göre bu yöntem daha hızlı, daha basit ve daha ucuzdur. Işıma yoğunluğu kesinlikle zararsızdır. Tipik ortalama gönderim gücü birkaç miliwatt civarındadır.
Çalışma prensibi
Bir yer radarı yer yüzeyinin altındaki verileri elde için etmek elektromanyetik enerji kullanır. Enerji, incelenecek bölgeye doğru yönlendirilir ve bir türdeşsizlikle (inhomogeneity) ve yer katmanlarının sınırlarında farklı elektriksel iletkenlikle karşılaştığında enerji yansıyarak antene döner. Gönderim işareti ve yankı işareti arasındaki geçen süreden faydalanarak bu türdeşsizliğin derinliği belirlenebilir. Radar tipine ve toprağın yayılma özelliklerine bağlı olarak birkaç on metrelik derinliğe kadar inebilir ve katmanın bir kesitsel resmi çıkarılabilir.
FMSD-radarı
FMSD-radarı
FMSD-radarı
Yer radarlarının teknik olarak iki farklı türü vardır. Eğer yer radarı bir darbe biçimli işaret gönderiyorsa darbe radarı olarak adlandırılır. Bu radar aygıtı çok yüksek örneklemeli bir alıcıya sahiptir ve doğrudan zaman bölgesinde (time domain) çalışabilir. Daha büyük bir bant genişliğine ulaşmak için bu darbelerin tipik birkaç nano saniyeden daha kısa ve hatta çok daha kısa olması gerekir. Daha geniş bir bant genişliği elde etmek için alt-kesme frekansı (cut-off frequency) sıfıra kadar indirilir. Bu durumda gönderici artık bir taşıyıcı frekansla modüle edilemez, daha ziyade antene doğrudan yüksek gerilimli bir darbe (tipik 20 ila 200 V arası) gönderilir. Sonuçta ortaya çıkan darbe türüne Temel Bant Darbesi denilir. Biçimi bir „Meksikalı şapkasını“ andırır ve matematiksel işlevi bir çan eğrisinin (Gaussian curve) negatif normalize edilmiş 2. türevidir.
Frekansı kademeli ya da sürekli değişen işaret yollayan ve gönderilmiş güncel ve alınan geciktirilmiş yankı işareti arasındaki faz açı farkını işleyen yer radarları frekans bölgesinde (frequency domain) çalışırlar. Genellikle bunlar frekansı kademeli değişen Frekans Modüleli Sürekli Dalga-radarlardır. Bu tür radar aygıtların yapısı daha basit ve dolayısıyla daha ucuzdur, ancak çok yavaş çalışırlar. Yürütme zamanı (runtime) bir ters, hızlı Fourier dönüşümü ile hesaplanır. Darbe radarlarında yankı işaretlerinin bir uzun zaman boyunca tümlevinin alınmasıyla daha iyi bir işaret/gürültü oranının elde edilmesi mümkündür.
Radar işaretlerinin frekans bölgesi yere mümkün olan işleme derinliği ve çözünürlük arasında yapılan tercihle seçilir. Yeryüzünün yapısı düşük frekansları geçiren bir karaktere sahiptir. Daha düşük frekanslar yüksek frekanslara göre yeryüzüne daha fazla işler, ancak çözünürlüğü daha düşüktür. Gönderilen işaretler değişik yer katmanlarında farklı zayıflarlar. İşaretler nemli kil katmanları zor, kuru kum katmanları ise kolay geçerler. Frekansın azalması ile radarın görebileceği en küçük nesnenin boyutu artar. Bu olayı Resim.2 de kabaca görebiliriz: 1 MHz te çalışan radar 30 ile 40 m derinlikteki bir nesneyi eğer bu nesne 2 m den daha büyükse algılayabilir.
Alınan işaretin etkin bant genişliği düşey çözünürlük yeteneği için belirleyicidir. Yatay çözünürlük yeteneğini, kullanılan antenin ışıma karakteristikleri belirler. Bu sorunu, değişik konumlarda bulunan birden fazla sayıdaki yer radarından gelen yankı işaretlerini birleştiren bir Yapay Açıklıklı Radardaki işaret işlenmesinde kullanılan yöntemlere benzer yöntemleri kullanarak iyileştirmek mümkündür. Ancak bu olanaklar, yerin altında yayılma hızının sabit olmaması ve gerekli faz düzeltmesinin kestirilememesi nedeniyle yer radarıyla çalışan Yapay Açıklıklı Radarda olduğu gibi çok başarılı değildir.
Alınan işaretin etkin bant genişliği düşey çözünürlük yeteneği için belirleyicidir. Yatay çözünürlük yeteneğini, kullanılan antenin ışıma karakteristikleri belirler. Bu sorunu, değişik konumlarda bulunan birden fazla sayıdaki yer radarından gelen yankı işaretlerini birleştiren bir Yapay Açıklıklı Radardaki işaret işlenmesinde kullanılan yöntemlere benzer yöntemleri kullanarak iyileştirmek mümkündür. Ancak bu olanaklar, yerin altında yayılma hızının sabit olmaması ve gerekli faz düzeltmesinin kestirilememesi nedeniyle yer radarıyla çalışan Yapay Açıklıklı Radarda olduğu gibi çok başarılı değildir.
Resim 3: Burada çok sayıda A-tarama (90 derece döndürülmüş) en basitinden bir B-taramayla birleştirilir. Darbenin pozitif bölümü beyaz renkle doldurulmuştur ve şimdi B-taramaların parlaklık modülasyonunun benzeşimi mümkündür.
Resim 3: Burada çok sayıda A-tarama (90 derece döndürülmüş) bir en basitinden B-taramayla birleştirilir.
Darbenin pozitif bölümü beyaz renkle doldurulmuştur ve şimdi B-taramaların parlaklık modülasyonunun benzeşimi mümkündür.
Radar işaretlerinin işlenmesi
Hareket yönünde radar verilerinden ham bir resim üretilebilir. Bunlar arazinin bir kesitini yaratırlar. Antenlerin, düşük frekanslar ve gerekli bant genişliği nedeniyle yayın yönlülüğü (directivity) yeterince iyi değildir, tüm nesneler eğer yer radarının hemen altında bulunmuyorlarsa yankı işareti gönderirler. Ancak bu yankı işareti tamda yer radarının altındaymış gibi görüntülenir. Yatık menzilin daha büyük olması nedeniyle, bu yankı sanki daha derinden geliyormuş gibi görüntülenir. Yansıtıcı nesnenin üzerinden geçiliyorken bir hiperbolik hedef işareti üretilir. Gerçek konum hiperbolün tepe noktasıdır. Gönderim anteninin alıcı antene hava vasıtasıyla doğrudan bağlanmasıyla (bu sıkça havadan ilk ulaşma olarak adlandırılır) ham resimde en azından yeryüzüne yakın bölgede bir sürekli çizgi yer alır. Bu çizgi daha sonraki işaretler işlenirken silinir. Birinci çizgiyi, topraktan antene doğrudan gelen dalganın meydana getirdiği bir ikinci çizgi izler.
Bu resimdeki nesneleri uygun bir yazılım ve çok sayıda süzgeç kullanarak gerçek konumlarına getirmek mümkündür. Bu süzgeçler saçılma kayıplarını, gerçek olmayan nesnelerin türdeşsizlikleri nedeniyle meydana gelen yerden yansıma paraziti olarakta adlandırılan gürültülerin etkisini azaltırlar. Yürütme zamanına bağlı olarak yerdeki zayıflamayı telafi etmek için kazanç katsayısını arttırmak mümkündür.
Geçiş zamanının bir menzil/derinliğe dönüştürülmesi öyle çok basit değildir. Toprakta elektromanyetik dalgaların yayılma hızı kuvvetle değişir. Kuru bir toprakta yayılma hızı havadaki yayılma hızının yarısı kadardır. Nemli kumda bu oran dörtte biri kadardır, suda ise onda birinden biraz fazladır. Bu farklar önceden bilinmeli ve örneğin bir direnç ölçümüyle kestirilmeli ya da sismik ölçümlerle karşılaştırılabilmelidir. En sonunda yere bir sondaj deliği açılarak doğrulanmalıdır.
Bir bireysel radar ölçümü A-tarama olarak bir osiloskopta görüntülenebilir. Bu X-ekseninde bir zaman parametresi ve Y-ekseninde ise gecikmeli alınan yankı işaretinin genliği gösterilir. Birden fazla sayıda yapılan bu tür bireysel ölçümler sonrası bir B-tarama elde edilir. X-ekseninde radarın kat ettiği yol ve Y-ekseninde ise zaman parametresi gösterilir. 90 derece döndürülen bu şekle „iz“ deriz. Yankı işaretlerinin şimdi parlaklığı modüle edilir veya taklit renklerle boyanarak görünebilir bir duruma getirilir. Bu B-tarama, radarın yer yüzeyinde kat ettiği yolun bir kesitidir. Çok sayıda bu tür paralel kesitlerden, inceleme bölgesinin X- ve Y- eksenlerinde 2-boyutlu uzaklıklarının gösterildiği, C-tarama denilen bir harita benzeri üst görünüşü elde edilir. Teknik yayınlarda tüm bu gösterimler Radargram olarak geçmektedir. A-tarama, B-tarama ve C-tarama yer radarına özgü kavramlardır, bunların gözetim ve hedef atama radarlarında kullanılan A-ekran, B-ekran ve C-ekran ile karıştırılmaması gerekir.
ışıyıcı
yansıtıcı arasındaki
omik katman
Resim 4: Bir darbe gönderen antenin (Impulse Radiating Antenna, IRA) yapısı
ışıyıcı
yansıtıcı arasındaki
omik katman
Resim 4: Bir darbe gönderen antenin
(Impulse Radiating Antenna, IRA) yapısı
Darbe gönderen antenler
Frekans bölgesinde çalışan yer radarlarında antenin seçimi kritik değildir. Bant genişliğinin sadece kullanılan frekans bölgesini kapsaması yeterli olur. Zaman bölgesinde çalışan darbe radarlarında ise anten seçimi daha zordur. Antenin faz açı merkezinin, kullanılan tüm frekanslarda darbenin biçimini değiştirmemesi için aynı olması gerekir. Örneğin, Logaritmik-Periyotlu Antenler bu iş için daha az uygundur. Diğer taraftan taşınabilir aygıtların kolayca taşınabilmesi için boyutlarının küçük tutulması gerekir.
Ultra geniş bant kullanımı için Darbe Gönderen Antenler (Impulse Radiating Antennas, IRA) özel olarak geliştirilmiştir. Bunlar bir dipolden, örneğin parabolik yansıtıcının önünde bulunan konik malzemeden oluşmaktadır. Bu antenlerin yönlülüğü iyidir ve çok yüksek bir tepe alan kuvvetine sahiptir. 0,8 m lik bir çapla 0,2 ila 6 GHz arasında bir bant genişliğine ulaşır. İki ışıma elemanın yarısı ile parabolik yansıtıcı arasındaki omik katman sayesinde ışıyıcı elemanda çok yüksek frekansa sahip darbe bileşenlerinin yansımaları önlenir. Darbe Gönderen Antenler, bir elektriksel eşdeğeri olan doğrusal konik boynuz antenlere göre çok daha toplu bir yapıya sahiptir.
Kullanım yerleri
Yer radarlarının zemine ya da duvara yerleştirilebilen elde taşınabilir modelleri de vardır. Bu aygıtlar metalik olmayan malzemelerdeki çatlak ve boşlukların belirlenmesi için de uygundur. Daha büyük aygıtlar bir kişinin ittiği veya çektiği bir kızak, ya da tek kişinin çektiği bir römork üzerinde taşınabilir. Antenin çalışmasını olumsuz etkilememesi için mahfazaların ve taşıma araçlarının imalatında elden geldiğince metal olmayan malzeme kullanılmalıdır. Aygıtın olabildiğince metalik olmayan bir bom kullanılarak bir motorlu taşıtın önünde uzak bir yere ya da bagajın çok gerisinde bir yere kurulması da mümkündür. Yer radarı örneğin İsviçre firması RST nin „HERA“ (HE licopter RA dar) tipi helikopteriyle de taşınabilir.
MARSIS Yer Radarı Mars Express uzay aracının tümleşik bir parçasıdır ve Mars yüzeyini 5 km lik bir derinliğe kadar 1,8 ila 5 MHz frekans bandı aralığında araştırmaktadır. Mars yüzeyi ile anten arasında uzaklık 300 ila 800 km arasında değişmektedir.
Yer radarı su katmanlarının araştırılmasında, kaya kütlelerinin kalınlığının, çökeltilerin ve su derinliklerinin ölçümünde hem de mağara yerlerinin araştırılmasında kullanılmaktadır. Diğer kullanım yerleri arasında boruların, rögar kapaklarının, kabloların ve kaya blokların haritalanması bulunmaktadır. Yer radar verilerinin sismoloji ve direnç ölçümleri gibi diğer araştırma yöntemleriyle birleşimi ile yansıma nedeninin tanınmasındaki belirsizlikler azaltır.
Bir yer radarının arkeolojik amaçla kullanımına ait resimler
Japonya' da Dean Goodman tarafından yürütülen bir araştırmada bir tanesi ortaya çıkarılan, içinde gömü bulunan daire şeklinde bir höyük tepeciği Resim.6 da açık bir şekilde görülmektedir. 7 nolu resimde ise, Japonya' nın Kyushu adasında, yine Dean Goodman tarafından keşfedilen bir mezar odasının 3-boyutlu bir kesiti görülüyor. Burada bir Samuray savaşçısına ait içinde bronz kılıçlarında olduğu buluntular yer almaktadır. (Resimlerin kaynağı: Dean Goodmann)
Resim 5: Eski bir Yer Radarı çalışırken
Resim 7: 3- boyutlu gösterim