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Lexikon der Geowissenschaften: Bodenradar

Bodenradar, Georadar, ground penetrating radar (GPR), elektromagnetisches Impulsreflexionsverfahren (EMR), ein hochfrequentes elektromagnetisches Verfahren zur Erkundung oberflächennaher Leitfähigkeitsstrukturen, das eine zunehmend breitere Anwendung bei hydrogeologischen, geotechnischen und umweltrelevanten Fragestellungen findet. Das Sendesignal (z.B. kurze elektromagnetische Impulse bei einer Frequenz im Bereich von 10 MHz bis 1 GHz) wird mit Hilfe von breitbandigen Antennen abgestrahlt. Eine weitere Antenne empfängt das von Schichtgrenzen oder anderen Objekten im Untergrund reflektierte bzw. gestreute Signal. Analog zur Reflexionsseismik wird das Meßergebnis in einem Radargramm dargestellt. Aus der Laufzeit von der Aussendung bis zum Empfang des Signals kann bei Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit auf die Tiefenlage des Reflektors geschlossen werden (Tab.). Aufgrund des gewählten Frequenzbereichs ist die Methode empfindlich gegenüber Änderungen der relativen Dielektrizitätskonstante εr und der Leitfähigkeit σ. Die relative Permeabilität wird dabei als μr ≈ 1 angenommen. Während die Frequenz in den Induktionsverfahren so niedrig gewählt ist, daß nur der Leitungsstrom eine Rolle spielt, ist im Radarfall der Verschiebungsstrom (Maxwellsche Gleichungen) von gleicher Größenordnung. Dies wird durch den Verlustwinkel θ mit



ausgedrückt, wobei ω die Kreisfrequenz und ε0 die Influenzkonstante bezeichnen. Für etwa tanθ < 0,5 sind Ausbreitungsgeschwindigkeit und Absorption der EM-Wellen im Boden nahezu frequenzunabhängig; bei Überwiegen des Leitfähigkeitsterms kommt es zu Dispersionseffekten, der Energietransport findet hauptsächlich durch Diffusion statt. Bei hohen Frequenzen und senkrechter Inzidenz hängt der Reflexionskoeffizient R allein von den relativen Dielektrizitäten der beiden Medien ab:



Die Laufzeit tr der reflektierten Wellen, die in einem Laufzeitdiagramm neben der Luft- und Bodenwelle erscheinen, berechnet sich für den Zweischichtfall:



dabei ist x der Sender-Empfänger-Abstand, v die Ausbreitungsgeschwindigkeit in der 1. Schicht und h die Schichtdicke. Nach Erreichen des kritischen Winkels φc entsteht eine sich in der Luft ausbreitende Lateralwelle, ihre Laufzeit berechnet sich aus:



c0 ist die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit. Anders als in der Seismik werden refraktierte Wellen nur selten beobachtet. Die Auswertung der Radargramme erfolgt ähnlich den Verfahren in der Reflexionsseismik, wobei jedoch meist keine CMP-Stapelung (Stapelung) durchgeführt wird; auch die Methoden der Dekonvolution sind nur eingeschränkt einsetzbar ( Abb. ). [HBr]


Bodenradar: a) Wellentypen des Bodenradar-Verfahrens bei einem Zweischichtfall (S = Sendeantenne; E, E', E'' = Lokation der Empfängerantennen; R = reflektierte Welle; WR = Weitwinkelreflexion; φc = kritischer Winkel; c0 = Vakuum-Lichtgeschwindigkeit). b) schematisches Laufzeitdiagramm für einen Zweischichtfall. Bodenradar:

Bodenradar (Tab.): typische Werte der Dielektrizität εr, Leitfähigkeit σ, Ausbreitungsgeschwindigkeit v und Dämpfung α einiger Materialien bei einer Frequenz f = 100 MHz. Der Wassergehalt bestimmt maßgeblich die Schwankungsbreite der einzelnen Größen. Bodenradar (Tab.):
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