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Radar de penetración terrestre

Un radargrama de penetración terrestre obtenido en un cementerio histórico de Alabama , EE. UU. Las llegadas hiperbólicas (flechas) indican la presencia de difractores enterrado...

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Un radargrama de penetración terrestre obtenido en un cementerio histórico de Alabama , EE. UU. Las llegadas hiperbólicas (flechas) indican la presencia de difractores enterrados bajo la superficie, posiblemente asociados con enterramientos humanos. También se observan reflexiones de las capas del suelo (líneas discontinuas).

El radar de penetración terrestre ( GPR ) es un método geofísico que utiliza pulsos de radar para obtener imágenes del subsuelo. Es un método no intrusivo para inspeccionar el subsuelo e investigar servicios subterráneos como hormigón, asfalto, metales, tuberías, cables o mampostería. [ 1 ] Este método no destructivo utiliza radiación electromagnética en la banda de microondas ( frecuencias UHF / VHF ) del espectro radioeléctrico y detecta las señales reflejadas de las estructuras subterráneas. El GPR puede tener aplicaciones en una variedad de medios, incluyendo roca, suelo, hielo, agua dulce, pavimentos y estructuras. En las condiciones adecuadas, los profesionales pueden utilizar el GPR para detectar objetos subterráneos, cambios en las propiedades de los materiales, huecos y grietas. [ 2 ] [ 3 ]

El GPR utiliza ondas de radio de alta frecuencia (generalmente polarizadas), normalmente en el rango de 10  MHz a 2,6  GHz. Un transmisor y una antena de GPR emiten energía electromagnética hacia el subsuelo. Cuando la energía encuentra un objeto enterrado o un límite entre materiales con diferentes permitividades , puede reflejarse, refractarse o dispersarse de vuelta a la superficie. Una antena receptora puede entonces registrar las variaciones en la señal de retorno. Los principios involucrados son similares a los de la sismología , excepto que los métodos de GPR emplean energía electromagnética en lugar de energía acústica , y la energía puede reflejarse en límites donde cambian las propiedades eléctricas del subsuelo en lugar de las propiedades mecánicas del subsuelo, como ocurre con la energía sísmica.

The electrical conductivity of the ground, the transmitted center frequency, and the radiated power all may limit the effective depth range of GPR investigation. Increases in electrical conductivity attenuate the introduced electromagnetic wave, and thus the penetration depth decreases. Because of frequency-dependent attenuation mechanisms, higher frequencies do not penetrate as far as lower frequencies. However, higher frequencies may provide improved resolution. Thus operating frequency is always a trade-off between resolution and penetration. Optimal depth of subsurface penetration is achieved in ice where the depth of penetration can achieve several thousand metres (to bedrock in Greenland) at low GPR frequencies. Dry sandy soils or massive dry materials such as granite, limestone, and concrete tend to be resistive rather than conductive, and the depth of penetration could be up to 15 metres (50 ft). However, in moist or clay-laden soils and materials with high electrical conductivity, penetration may be as little as a few centimetres.

Ground-penetrating radar antennas are generally in contact with the ground for the strongest signal strength; however, GPR air-launched antennas can be used above the ground.

Cross borehole GPR has developed within the field of hydrogeophysics to be a valuable means of assessing the presence and amount of soil water.

History

The first patent for a system designed to use continuous-wave radar to locate buried objects was submitted by Gotthelf Leimbach and Heinrich Löwy in 1910, six years after the first patent for radar itself (patent DE 237 944). A patent for a system using radar pulses rather than a continuous wave was filed in 1926 by Dr. Hülsenbeck (DE 489 434), leading to improved depth resolution. A glacier's depth was measured using ground penetrating radar in 1929 by W. Stern.[4]

Further developments in the field remained sparse until the 1970s, when military applications began driving research. Commercial applications followed and the first affordable consumer equipment was sold in 1975.[4]

In 1972, the Apollo 17 mission carried a ground penetrating radar called ALSE (Apollo Lunar Sounder Experiment) in orbit around the Moon. It was able to record depth information up to 1.3 km and recorded the results on film due to the lack of suitable computer storage at the time.[5][6]

Applications

Ground penetrating radar in use near Stillwater, Oklahoma, US in 2010
Estudio mediante radar de penetración terrestre de un yacimiento arqueológico en Jordania.

El GPR tiene numerosas aplicaciones en diversos campos. En las ciencias de la Tierra se utiliza para estudiar la roca madre , los suelos, las aguas subterráneas y el hielo . Resulta útil para la prospección de pepitas de oro y diamantes en lechos de grava aluvial, al encontrar trampas naturales en lechos de arroyos enterrados que tienen el potencial de acumular partículas más pesadas. [ 7 ] El rover lunar chino Yutu cuenta con un GPR en su parte inferior para investigar el suelo y la corteza de la Luna.

Las aplicaciones de ingeniería incluyen ensayos no destructivos (END) de estructuras y pavimentos, localización de estructuras y líneas de servicios públicos enterradas, y estudio de suelos y roca madre. En remediación ambiental , el georradar se utiliza para delimitar vertederos, plumas de contaminantes y otros sitios de remediación, mientras que en arqueología se emplea para cartografiar yacimientos arqueológicos y cementerios. El georradar se utiliza en las fuerzas del orden para localizar tumbas clandestinas y pruebas enterradas. Entre sus usos militares se incluyen la detección de minas, municiones sin explotar y túneles.

Los radares de pozo que utilizan GPR se emplean para mapear las estructuras desde un pozo en aplicaciones de minería subterránea. Los modernos sistemas de radar de pozo direccional son capaces de producir imágenes tridimensionales a partir de mediciones en un solo pozo. [ 8 ]

Otra de las principales aplicaciones de los radares de penetración terrestre es la localización de servicios subterráneos. Las herramientas estándar de localización de servicios por inducción electromagnética requieren que estos sean conductores. Estas herramientas son ineficaces para localizar conductos de plástico o alcantarillas de hormigón, tanto pluviales como sanitarias. Dado que el radar de penetración terrestre detecta variaciones en las propiedades dieléctricas del subsuelo, puede ser muy eficaz para localizar servicios no conductores.

El georradar se utilizaba con frecuencia en el  programa de televisión Time Team de Channel 4 , que empleaba esta tecnología para determinar una zona adecuada para su examen mediante excavaciones. El georradar también se utilizó para recuperar 150 000 libras esterlinas en efectivo, el rescate que Michael Sams había enterrado en un campo tras el secuestro de un agente inmobiliario en 1992. [ 9 ]

Militar

Las aplicaciones militares del radar de penetración terrestre incluyen la detección de munición sin explotar y la detección de túneles. En aplicaciones militares y otras aplicaciones comunes del radar de penetración terrestre, los profesionales suelen utilizarlo junto con otras técnicas geofísicas disponibles, como la resistividad eléctrica y los métodos de inducción electromagnética .

En mayo de 2020, el ejército estadounidense encargó a Chemring Sensors and Electronics Systems (CSES) un sistema de radar de penetración terrestre para detectar artefactos explosivos improvisados ​​(IED) enterrados en carreteras, en un acuerdo por 200,2 millones de dólares. [ 10 ]

localización de vehículos

Investigadores han demostrado un método para la localización de vehículos utilizando imágenes previas basadas en mapas de radar de penetración terrestre. Denominado "Radar de Penetración Terrestre Localizador" (LGPR), se han demostrado precisiones de nivel centimétrico a velocidades de hasta 100 km/h (60 mph) . [ 11 ] Los investigadores creen que esta técnica puede superar los desafíos de localización en la nieve, que supone una dificultad para los sistemas de localización basados ​​en LIDAR de uso común . [ 12 ] El funcionamiento en bucle cerrado se demostró por primera vez en 2012 para la dirección de vehículos autónomos y se implementó para operaciones militares en 2013. [ 11 ] La localización a nivel centimétrico a velocidad de autopista durante una tormenta de nieve nocturna se demostró en 2016. [ 13 ]  

Arqueología

El radar de penetración terrestre es un método utilizado en geofísica arqueológica . El GPR se puede utilizar para detectar y mapear artefactos , estructuras y patrones arqueológicos del subsuelo. [ 14 ]

Planos de profundidad obtenidos mediante georradar que muestran una cripta en un cementerio histórico. Estos mapas en planta muestran estructuras subterráneas a diferentes profundidades. Se recopilaron sesenta líneas de datos —que representan individualmente perfiles verticales— y se ensamblaron como una matriz de datos tridimensional que puede dividirse horizontalmente a diferentes profundidades.
Perfil de profundidad (GPR) que muestra una sola línea de datos del estudio de la cripta histórica mostrada arriba. El techo abovedado de la cripta se puede observar entre 1 y 2,5 metros bajo la superficie.

El concepto de radar es familiar para la mayoría de las personas. En el radar de penetración terrestre, la señal de radar —un pulso electromagnético— se dirige hacia el subsuelo. Los objetos y la estratigrafía (capas) del terreno generan reflexiones que son captadas por un receptor. El tiempo de propagación de la señal reflejada indica la profundidad. Los datos pueden representarse gráficamente como perfiles, como mapas en planta que aíslan profundidades específicas o como modelos tridimensionales.

El georradar puede ser una herramienta poderosa en condiciones favorables (los suelos arenosos uniformes son ideales). Al igual que otros métodos geofísicos utilizados en arqueología (y a diferencia de la excavación), permite localizar artefactos y cartografiar estructuras sin riesgo de dañarlos. Entre los métodos empleados en geofísica arqueológica, destaca tanto por su capacidad para detectar objetos pequeños a profundidades relativamente grandes como por su habilidad para determinar la profundidad de las fuentes de anomalías.

The principal disadvantage of GPR is that it is severely limited by less-than-ideal environmental conditions. Fine-grained sediments (clays and silts) are often problematic because their high electrical conductivity causes loss of signal strength; rocky or heterogeneous sediments scatter the GPR signal, weakening the useful signal while increasing extraneous noise.

In the field of cultural heritage GPR with high frequency antenna is also used for investigating historical masonry structures, detecting cracks and decay patterns of columns and detachment of frescoes.[15]

Burial sites

GPR is used by criminologists, historians, and archaeologists to search burial sites.[16] In his publication, Interpreting Ground-penetrating Radar for Archaeology, Lawrence Conyers, one of the first archaeological specialists in GPR, described the process.[17] Conyers published research using GPR in El Salvador in 1996,[18] in the Four Corners region Chaco period in southern Arizona in 1997,[19][20] and in a medieval site in Ireland in 2018.[21] Informed by Conyer's research,[17] the Institute of Prairie and Indigenous Archaeology at the University of Alberta, in collaboration with the National Centre for Truth and Reconciliation, have been using GPR in their survey of Indian Residential Schools in Canada.[22] By June 2021, the Institute had used GPR to locate suspected unmarked graves in areas near historic cemeteries and Indian Residential Schools.[22] On May 27, 2021, it was reported that 215 unmarked anomalies (possibly children's graves) were found using GPR at a burial site at the Kamloops Indian Residential School on Tk'emlúps te Secwépemc First Nation land in British Columbia.[23] In June 2021, GPR technology was used by the Cowessess First Nation in Saskatchewan to locate 751 unmarked gravesites on the Marieval Indian Residential School site, which had been in operation for a century until it was closed down in 1996.[24]

Los avances en la tecnología GPR, integrados con diversas plataformas de modelado de software 3D, generan reconstrucciones tridimensionales de las "formas" del subsuelo y sus relaciones espaciales. Para 2021, esto se había convertido en el nuevo estándar. [ 25 ]

Glaciología

La radioglaciología es el estudio de glaciares , capas de hielo , casquetes polares y lunas heladas mediante radar de penetración de hielo . Emplea un método geofísico similar al radar de penetración terrestre y opera típicamente en frecuencias en las porciones MF , HF , VHF y UHF del espectro radioeléctrico . [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] Esta técnica también se conoce comúnmente como "Radar de Penetración de Hielo (IPR)" o " Sondeo por Radio Eco (RES)".

Los glaciares son particularmente adecuados para la investigación por radar porque la conductividad , la parte imaginaria de la permitividad y la absorción dieléctrica del hielo son pequeñas en radiofrecuencias, lo que resulta en valores bajos de tangente de pérdida , profundidad de penetración y atenuación . Esto permite que los ecos de la base de la capa de hielo sean detectados a través de espesores de hielo mayores a 4  km. [ 30 ] [ 31 ] La observación subsuperficial de masas de hielo utilizando ondas de radio ha sido una técnica geofísica integral y en evolución en glaciología durante más de medio siglo. [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] [ 39 ] Sus usos más extendidos han sido la medición del espesor del hielo, la topografía subglacial y la estratigrafía de la capa de hielo. [ 40 ] [ 33 ] [ 30 ] También se ha utilizado para observar las condiciones subglaciales de las capas de hielo y los glaciares, incluyendo la hidrología, el estado térmico, la acumulación, la historia del flujo, la estructura del hielo y la geología del lecho. [ 26 ] En ciencias planetarias, el radar de penetración de hielo también se ha utilizado para explorar el subsuelo de los casquetes polares en Marte y los cometas. [ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] Se planean misiones para explorar las lunas heladas de Júpiter. [ 44 ] [ 45 ]

Imágenes tridimensionales

Las líneas individuales de datos de GPR representan una vista seccional (perfil) del subsuelo. Múltiples líneas de datos recopiladas sistemáticamente sobre un área pueden usarse para construir imágenes tridimensionales o tomográficas . Los datos pueden presentarse como bloques tridimensionales o como cortes horizontales o verticales. Los cortes horizontales (conocidos como "cortes de profundidad" o "cortes temporales") son esencialmente mapas en planta que aíslan profundidades específicas. El corte temporal se ha convertido en una práctica estándar en aplicaciones arqueológicas , porque el patrón horizontal suele ser el indicador más importante de las actividades culturales. [ 20 ]

Limitaciones

La principal limitación del rendimiento del GPR se presenta en materiales de alta conductividad, como suelos arcillosos y suelos contaminados con sales. El rendimiento también se ve limitado por la dispersión de la señal en condiciones heterogéneas (por ejemplo, suelos rocosos).

Otras desventajas de los sistemas GPR disponibles actualmente incluyen:

  • La interpretación de los radargramas suele ser poco intuitiva para el principiante.
  • Se requiere una considerable experiencia para diseñar, realizar e interpretar eficazmente los estudios de georradar.
  • El consumo energético relativamente elevado puede resultar problemático para los estudios de campo a gran escala.

El radar es sensible a los cambios en la composición de los materiales; la detección de estos cambios requiere movimiento. Al examinar objetos fijos con radar de penetración superficial o subterránea, es necesario mover el equipo para que el radar pueda analizar el área específica en busca de diferencias en la composición de los materiales. Si bien puede identificar elementos como tuberías, cavidades y tierra, no puede identificar materiales específicos, como oro y gemas preciosas. Sin embargo, puede ser útil para mapear el subsuelo y localizar posibles cavidades con gemas. Las lecturas pueden verse afectadas por la humedad del suelo y no permiten diferenciar entre cavidades con gemas y las que no las contienen. [ 46 ]

Para determinar la profundidad de detección, el rango de frecuencia de la antena determina su tamaño y, por consiguiente, la profundidad de detección. El espaciado de la cuadrícula que se escanea depende del tamaño de los objetivos que se deben identificar y de los resultados requeridos. Los espaciados típicos de la cuadrícula pueden ser de 1  metro, 3  pies, 5  pies, 10  pies y 20 pies para estudios terrestres, y de 1 pulgada a 1 pie  para paredes y pisos .  

La velocidad a la que viaja una señal de radar depende de la composición del material que atraviesa. La profundidad a la que se encuentra un objetivo se determina en función del tiempo que tarda la señal de radar en reflejarse de vuelta a la antena del equipo. Las señales de radar viajan a diferentes velocidades a través de distintos tipos de materiales. Es posible utilizar la profundidad a la que se encuentra un objeto conocido para determinar una velocidad específica y, posteriormente, calibrar los cálculos de profundidad.

Regulación de potencia

En 2005, el Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones introdujo legislación para regular los equipos de GPR y a los operadores de GPR con el fin de controlar las emisiones excesivas de radiación electromagnética. [ 47 ] La asociación europea de GPR (EuroGPR) se formó como una asociación comercial para representar y proteger el uso legítimo del GPR en Europa.

Tecnologías similares

Imágenes terrestres mejoradas y detección de bombas

El radar de penetración terrestre utiliza diversas tecnologías para generar la señal de radar: impulsos, [ 48 ] frecuencia escalonada, onda continua modulada en frecuencia ( FMCW ) y ruido. Los sistemas disponibles en el mercado en 2009 también utilizan procesamiento digital de señales (DSP) para procesar los datos durante el trabajo de prospección en lugar de hacerlo fuera de línea.

Un tipo especial de GPR utiliza señales de onda continua no moduladas. Este radar holográfico de subsuelo se diferencia de otros tipos de GPR en que registra hologramas de subsuelo en planta. La penetración en profundidad de este tipo de radar es bastante pequeña (20-30  cm), pero la resolución lateral es suficiente para discriminar diferentes tipos de minas terrestres en el suelo, o cavidades, defectos, dispositivos de escucha u otros objetos ocultos en paredes, pisos y elementos estructurales. [ 49 ] [ 50 ]

El GPR se utiliza en vehículos para el reconocimiento de carreteras a alta velocidad y la detección de minas terrestres. EU Detect Force Technology, una empresa de investigación avanzada de suelos, diseña el X6 Plus Grounding Radar (XGR) como una aplicación híbrida de GPR para la detección de minas militares y también para la detección de bombas policiales. El proyecto "Mineseeker" busca diseñar un sistema para determinar la presencia de minas terrestres en áreas mediante unidades de radar de apertura sintética de banda ultraancha montadas en dirigibles .

Líneas de servicios públicos

El radar de penetración en tuberías (IPPR) y el radar de penetración terrestre en alcantarillas (ISGPR) son aplicaciones de las tecnologías GPR utilizadas en tuberías no metálicas, donde las señales se dirigen a través de las paredes de las tuberías y conductos para detectar el espesor de la pared y los huecos detrás de las paredes de las tuberías. [ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]

SewerVUE Technology, una empresa de evaluación avanzada del estado de las tuberías, utiliza el radar de penetración de tuberías (PPR, por sus siglas en inglés) como aplicación de georradar dentro de la tubería para ver el espesor restante de la pared, el recubrimiento de las barras de refuerzo, la delaminación y detectar la presencia de huecos que se desarrollan fuera de la tubería.

Radar de penetración de paredes

El radar de penetración de paredes puede leer a través de estructuras no metálicas, como demostraron por primera vez la ASIO y la policía australiana en 1984 durante un estudio de una antigua embajada rusa en Canberra . La policía demostró cómo vigilar a personas a una distancia de hasta dos habitaciones lateralmente y a través de los pisos verticalmente, pudiendo detectar objetos metálicos que podrían ser armas; el GPR incluso puede funcionar como sensor de movimiento para guardias militares y policías.

Véase también

Referencias

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  • Jaufer, Rakeeb M., Amine Ihamouten, Yann Goyat, Shreedhar S. Todkar, David Guilbert, Ali Assaf y Xavier Dérobert. 2022. «Estudio numérico preliminar para comparar el método físico y los métodos de aprendizaje automático aplicados a datos de GPR para la caracterización de redes de servicios subterráneos». Remote Sensing 14, n.º 4: 1047. https://doi.org/10.3390/rs14041047

Lecturas adicionales

Puede encontrar una descripción general de las aplicaciones científicas y de ingeniería en:

  • Jol, HM, ed. (2008). Teoría y aplicaciones del radar de penetración terrestre . Elsevier.
  • Persico, Raffaele (2014). Introducción al radar de penetración terrestre: dispersión inversa y procesamiento de datos . John Wiley & Sons.

En las siguientes obras se puede encontrar una descripción general de los métodos geofísicos en arqueología:

  • Clark, Anthony J. (1996). Viendo bajo la tierra. Métodos de prospección en arqueología . Londres, Reino Unido: BT Batsford Ltd.
  • Conyers, Lawrence B; Goodman, Dean (1997). Radar de penetración terrestre: una introducción para arqueólogos . Walnut Creek, CA: AltaMira Press. ISBN 978-0-7619-8927-1OCLC 36817059​​ 
  • Gaffney, Chris; John Gater (2003). Revelando el pasado enterrado: Geofísica para arqueólogos . Stroud, Reino Unido: Tempus.
  • "EUROGPR – El organismo regulador europeo de GPR" .
  • "GprMax – Simulador numérico de GPR basado en el método FDTD" .
  • Vídeo corto que muestra la adquisición, el procesamiento y la precisión de las lecturas de GPR . 24 de agosto de 2009. Archivado del original el 22 de diciembre de 2021 ( vía YouTube).
  • "Animación FDTD de una muestra de propagación de GPR" . 22 de noviembre de 2011. Archivado del original el 22 de diciembre de 2021 ( vía YouTube).
  • "Información de seguridad sobre emisiones electromagnéticas del GPR" . 17 de mayo de 2016. Archivado del original el 13 de septiembre de 2018. Consultado el 15 de febrero de 2017 .
  • "Mapeo de servicios públicos con GPR 3D" . 28 de abril de 2021.