Kuliah 13 Dan 14 [PDF]

Citation preview

GROUND PENETRATION RADAR PERTEMUAN KE 10 DAN 11



Apa itu Ground Penetration Radar ? Adalah metode geofisika non destructive technics yang mempelajari kondisi bawah permukaan yang mendasarkan sifat elektromagnetik dengan gelombang radio berfrekuensi antara 1-1000 MHz. Georadar berasal daridua kata yaitu geo yang berarti bumi dan radar singkatan dari radio detection and ranging.



GPR or Ground Penetrating/Probing Radar (Radio Detection and Ranging), bukanlah teknologi baru. Pertama diaplikasikan di Austria tahun 1929, teknologi ini mulai berkembang sampai1950 oleh U.S. Air Force radars.



Radar Bands 1. Ka Band: Frequency 40,000-26,000 MHz; Wavelength (0.8-1.1 cm) 2. K Band: 26,500-18,500 MHz; (1.1-1.7 cm) = Weather Radar 3. X Band: 12,500-8,000 MHz; (2.4-3.8 cm) 4. C Band: 8,000-4,000 MHz; (3.8-7.5 cm) 5. L Band: 2,000-1,000 MHz; (15.0-30.0 cm) 6. P Band: 1,000- 300 MHz; (30.0-100.0 cm) Semua ini merupakan bagian dari spektrum



Prinsip kerja Ground Penetration Radar ? GPR terdiri dari sebuah pembangkit sinyal, antena transmitter dan receiver sebagai pendeteksi gelombang EM yang dipantulkan. Signal radar ditransmisikan sebagai pulsa-pulsa yang tidak terabsorbsi oleh bumi tetapi dipantulkan dalam domain waktu tertentu. Mode konfigurasi antena transmitter dan receiver pada GPR terdiri dari mode monostatik dan bistatik. Mode monostatik yaitu bila transmitter dan receiver digabung dalam satu antena. sedangkan moded bistatik bila kedua antena memiliki jarak pemisah. Transmitter membangkitkan pulsa gelombang EM pada frekuensi tertentu sesuai dengan karaketristik antena tersebut (10 MHz – 4 GHz). Receiver diset untuk melakukan scan yang secara normal mancapi 32-512 scan per detik. Setiap hasil scan ditampilkan pada layar monitor (real-time) sebagai fungsi waktu two-way traveltime, yaitu waktu yang dibutuhkan gelombang EM menjalar dari transmitter, target dan ke receiver. Tampilan ini disebut radargram.



Prinsip kerja Ground Penetration Radar ? Signal yang dipantulkan oleh ketidakkontinyuan secara horizontal, dicatat setelah travel time tertentu, yang bergantung pada survei material. Metoda ini tidak hanya seperti seismic refleksi, tetapi juga mungkin untuk software untuk mengolah data seismic yang diadopsi untuk menginterpretasikan pengukuran ground radar. Seperti pada seismic, kedalaman dari reflector dapat diperoleh jika kecepatan diketahui.



Pengukuran radar merupakan metode yang tepat untuk mendeteksi benda kecil dekat permukaan bumi ( 0.1 hingga 3 meter ) dengan resolusi yang tinggi. Survei dilakukan pada tanah yang kering dan hampir homogen pada resitivitas elektrik yang tinggi ( kontanta dielektrik rendah ). Semakin konduktif objek yang dikenai, maka semakin jelas sinyal yang ditangkap. Contoh : kabel listrik adalah tembaga yang berkonduktivitas sangat baik, sehingga akan memberikan pola yang jelas. Sinyal terang menggambarkan tegangan positif, sementara warna gelap menggambarkan tegangan negatif. Warna abu-abu menggambarkan tegangan mendekati nol.



Prinsip kerja Ground Penetration Radar ? Faktor yang berpengaruh dalam menentukan tipe antena yang digunakan, sinyal yang ditransmisikan, dan metode pengolahan sinyal yaitu : 1. Jenis objek yang akan dideteksi. 2. Kedalaman objek. 3. Karakteristik elektrik medium tanah atau properti elektrik.



Tipe sistim radar



• Sistem GPR terdiri atas pengirim (transmitter), yaitu antena yang terhubung ke sumber pulsa (generator pulsa) dengan adanya pengaturan timing circuit, dan bagian penerima (receiver), yaitu antena yang terhubung ke LNA (low noise amplifier) dan ADC (alternative distribution channels) yang kemudian terhubung ke unit pengolahan (data processing) serta display sebagai tampilan outputnya.



Berdasarkan blok diagram tersebut masing – masing blok mempunyai fungsi yang cukup penting dan saling ketergantungan. Hal ini dikarenakan GPR merupakan suatu sistem mulai dari penghasilan pulsa pada pulse generator lalu melewati blok-blok yang ada kemudian sampai pada blok display dimana kita dapat melihat bentuk dan kedalaman objek yang dideteksi. Namun dalam hal ini antena memegang peranan yang sangat penting karena menentukan unjuk kerja dari sistem GPR itu sendiri. Tipe antena dipengaruh 1. Jenis objek yang akan dideteksi. 2. Kedalaman objek. 3. Karakteristik elektrik medium tanah atau properti elektrik.



Dari proses pendeteksian seperti di atas, maka akan didapatkan suatu citra dari letak dan bentuk objek yang terletak di bawah tanah atau dipermukaan tanah. Untuk menghasilkan pendeteksian yang baik, suatu sistem GPR harus memenuhi empat persyaratan sebagai berikut: 1. Kopling radiasi yang efisien ke dalam tanah 2. Penetrasi gelombang elektromagnetik yang efisien 3. Menghasilkan sinyal dengan amplitudo yang besar dari objek yang dideteksi. 4. Bandwidth yang cukup untuk menghasilkan resolusi yang baik.



Rangkaian pemancar akan menghasilkan pulsa listrik dengan bentuk prf (pulse repetition frequency), energi, dan durasi tertentu. Pulsa akan dipancarkan oleh antena ke dalam tanah. Pulsa ini akan mengalami atenuasi dan cacat sinyal lainnya selama perambatannya di tanah. Jika tanah bersifat homogen, maka sinyal yang dipantulkan akan sangat kecil. Jika pulsa menabrak suatu inhomogenitas di dalam tanah, maka akan ada sinyal yang dipantulkan ke antena penerima. Sinyal ini kemudian diproses oleh rangkaian penerima. Kedalaman objek dapat diketahui dengan mengukur selang waktu antara pemancaran dan penerimaan pulsa. Dalam selang waktu ini, pulsa akan bolak balik dari antena ke objek dan kembali lagi ke antena. Jika selang waktu dinyatakan dalam t, dan kecepatan propagasi gelombang elektromagnetik dalam tanah v, maka kedalaman objek yang dinyatakan dalam h.



Ketebalan beberapa medium di dalam tanah dinyatakan dalam d ,



Jika konstanta dieletrik medium semakin besar maka kecepatan gelombang elektromagnetik yang dirambatkan akan semakin kecil. Pulse Repetition Frequency(prf) merupakan nilai yang menyatakan seberapa seringnya pulsa radar diradiasikan ke dalam tanah. Penentuan prf dilandasi dengan kedalaman maksimum yang ingin dicapai. Semakin dalam objek, maka prf juga semakin kecil karena waktu tunggu semakin lama. Pada medium konduktor kedalaman penetrasi (skin depth) , sangat dipengaruhi oleh frekuensi yang digunakan saat pengambilan data. Semakin tinggi frekuensi yang digunakan maka semakin dangkal kedalaman penetrasinya tetapi memiliki resolusi yang tinggi. Dan sebaliknya apabila frekuensi yang digunakan merupakan frekuensi rendah maka kedalaman penetrasinya akan semakin dalam tetapi memiliki resolusi yang rendah bila dibanding saat kita menggunakan frekuensi tinggi.



Amplitudo gelombang radar mengalami peluruhan (atenuasi) karena: a. Geometrical spreading (penyebaran geometris), b. Hamburan energi karena ketidak homogenan medium, c. Pantulan energi pada bidang batas medium, d. Penyerapan energi



Skin depth Skin depth adalah kedalaman dimana sinyal telah berkurang menjadi 1/e (ca.37%) dari nilai awal. Skin depth (d ) dirumuskan pada peramaan berikut :



dimana : Δ = skin depth (meter) ρ = resistivitas (Ω.m) f = frekuensi (Hz) μr = permeabilitas relatif (H/m) μ0 = permeabilitas magnet di udara /ruang vakum = 4π × 10 -7 (H/m)



Perumusan GPR Rumus yang digunakan adalah Maxwell yang merupakan kombinasi antara geolistrik dan geomagnet:



Persamaan yang menghubungkan sifat fisik medium dengan medan yang timbul pada medium tersebut dapat dinyatakan dengan :



Keterangan: ε0 = permitivitas listrik ruang hampa ( 8, 85 × 10 -12 C 2/Nm 2 ) ρ = tahanan jenis ( Ω.m ) B = medan magnet ( tesla ) E = medan listrik (N/C) μ = permeabilitas magnetik J = rapat arus (A/m2



Untuk menyederhanakan masalah, sifat fisik medium diasumsikan tidak bervariasi terhadap waktu dan posisi (homogen isotropi). Maka persamaan Maxwell dapat ditulis sebagai berikut :



Pada material dielektrik murni suseptibilitas magnetik (μ) dan permitivitas listrik (є) adalah konstan dan tidak terdapat atenuasi dalam perambatan gelombang. Tidak sama halnya jika berhadapan dengan material dielektrik yang ada. Sifat-sifat dari material bumi bergantung dari komposisi dan kandungan air material tersebut. Keduanya ini mempengaruhi cepat rambat perambatan gelombang dan atenuasi gelombang elektromagnet.



Metoda GPR bergantung pada variasi bawah permukaan yang dapat menyebabkan gelombang tertransmisikan. Perbandingan energi yang direfleksikan disebut koefisien refleksi (R) yang ditentukan oleh perbedaan cepat rambat gelombang elektromagnet dan lebih mendasar lagi yang merupakan perbedaan dari konstanta dielektrik relatif dari media yang berdekatan. Hal ini dapat terlihat pada persamaan berikut : Keterangan : V1 = cepat rambat geombang elektromagnet pada lapisan 1 V2 = cepat rambat geombang elektromagnet pada lapisan 2 , dan V1 < V2 є1 dan є2 = konstanta dielektrik relatif lapisan 1 dan lapisan 2



Dalam semua kasus, besarnya R terletak antara -1 dan 1. bagian dari energi yang ditransmisikan sama dengan 1-R. Persamaan diatas daplikasikan untuk keadaan normal pada permukaan bidang datar. Dengan asumsi tidak ada sinyal yang hilang sehubungan dengan amplitudo sinyal.



Jejak yang terdapat pada rekaman georadar merupakan konvolusi dari koefisien refleksi dan impulse georadar ditunjukkan oleh persamaan :



Keterangan : r(t) = koefisien refleksi A(t) = amplitudo rekaman georadar F(t) = impulse radar n(t) = noise radar



Besar amplitudo rekaman georadar r(t) akan tampak pada penampang rekaman georadar berupa variasi warna. Refleksi atau transmisi di sekitar batas lapisan menyebabkan energi hilang. Jika kemudian ditemukan benda yang memiliki dimensi yang sama dengan panjang gelombang dari sinyal gelombang elektromagnet maka benda ini menyebabkan penyebaran energi secara acak. Absorbsi ( mengubah energi elektromagnet menjadi energi panas ) dapat menyebabkan energi hilang. Penyebab yang paling utama hilangnya energi karena atenuasi fungsi kompleks dari sifat lstrik dan dielektrika media yang dilalui sinyal radar. Atenuasi (α) tergantung dari konduktifitas (σ), permeabilitas magnetik (μ), dan permitivity (є) dari media yang dilalui oleh sinyal dan frekuensi dari sinyal itu sendiri (2πf).



Aplikasi? Aplikasi : GPR baik digunakan untuk deteksi target untuk karakteristik stratigrafi bawah permukaan, hidrogeologi, arkeologi, assesment pencemaran limbah dan geoteknik.



Keuntungan GPR High-resolution data in certain cases. 1. Tidak bising 2. Memerlukan 1 atau 2 orang untuk mengoperasikannya 3. Murah dan cepat 4. Mudah mengkover dengan jangkauan yang luas dan dibantu dengan truk .



Kerugian 1. 2. 3. 4. 5. 6.



Harga alat mahal. Penetrasi kedalaman terbatas. Hanya dapat digunakan untuk spesiifik sedimen-bedrock terrains. Dibutuhkan tenaga yang berpengalaman. Memerlukan software dan komputer yang canggih Information about dielectric properties must be known in order to convert to wave return times to depths.



Pola pengaturan antena Secara keseluruhan, alat GPR berbobot tidak lebih dari lima kilogram, sehingga sangat leluasa bergerak. Alat ini bekerja dengan dua antena. Satu berfungsi sebagai transmiter, yaitu bertugas memancarkan gelombang radar. Lainnya sebagai receiver, bertugas menerima gelombang radar yang dipantulkan bahan di sekelilingnya kemudian diolah grafiknya ke dalam komputer.



Sistem antena impuls GPR harus dapat mengirimkan medan elektromagnetik melalui interface antena tanah secara efektif. Tetapi, ketika antena di letakan dekat dengan tanah, interaksi antena-tanah akan berpengaruh besar terhadap impedansi input antena, bergantung jenis tanah dan elevasi antenanya [Turner,1993]. Karena property elektrik tanah sangat dipengaruhi oleh kondisi cuaca, dalam survey GPR biasanya sangat sulit untuk menjaga kestabilan impedansi input karena jenis tanah yang benar-benar berbeda untuk setiap tempat dan kondisi cuaca yang berbeda.



Pola pengaturan antena Late time ringing merupakan osilasi yang mengikuti pulsa yang dikirimkan yang akan mengaburkan pulsa yang dikirim. Pengendaliannya adalah menggunakan antena dipole dan diletakkan di atas tanah Cross-coupling merupakan sinyal yang dikirimkan secara langsung oleh antena pengirim ke penerima. Jarak pemisah antar antena pengirim dan penerima dipisahkan dengan jarak



Dimana K = Konstanta propagasi (εr ) Depth = Kedalaman penetrasi antenna



antena Antena GPR beroperasi dekat dengan permukaan tanah dan harus dapat mengirimkan medan elektromagnetik melalui interface antena tanah secara efektif. Tetapi, ketika antena di letakan dekat dengan tanah, interaksi antenatanah akan berpengaruh besar terhadap impedansi input antena, bergantung jenis tanah dan elevasi antenanya [Turner,1993]. Karena karakter elektrik tanah sangat dipengaruhi oleh kondisi cuaca, dalam survey GPR biasanya sangat sulit untuk menjaga kestabilan impedansi input karena jenis tanah yang benar-benar berbeda untuk setiap tempat dan kondisi cuaca yang berbeda. Ini mengakibatkan sulitnya mempertahankan kondisi match, antara antena dan feed line untuk memperkecil mismatch loss. Pemilihan jenis antena GPR yang dipakai didasarkan juga pada objek apa yang akan dideteksi.



Apabila target objek mempunyai objek yang panjang maka sebaiknya menggunakan antena yang dengan footprint yang lebih panjang. Footprint antena adalah pengumpulan nilai tertinggi dari bentuk gelombang yang dipancarkan oleh antena pada bidang horizontal di dalam tanah atau permukaan tanah di bawah antena. Ukuran footprint antena menentukan resolusi cakupan melintang dari sistem GPR. Secara umum, unjuk kerja optimal GPR dimana footprint antenna harus dapat diperbandingkan dengan penampang melintang horizontal dari target.



Late time ringing Late time ringing merupakan osilasi yang mengikuti pulsa yang dikirimkan. Late time ringing disebabkan oleh refleksi internal terhadap benda–benda (clutter) disekitar target yang mengakibatkan efek masking terhadap objek yang dideteksi.Osilasi ini dapat mengaburkan sinyal yang dipantulkan oleh objek sehingga menyulitkan untuk dilakukan proses deteksi. Ada berbagai cara untuk mengurangi late time ringing khususnya dari penggunaan antena dipole yaitu dengan penggunaan lumped resistor. Hal ini sesuai dengan metode Wu King. Namun, penggunaan metode ini sesuai untuk antena dipole yang dibuat pada PCB (Printed Circuit Board). Untuk antena wire dipole, hal ini bisa diatasi dengan meletakkan antena tepat di atas permukaan. tanah karena sifat lossy dielektrik tanah tersebut mampu meredam sifat ringging dari antena wire dipole, sehingga sinyal tersebut dapat dianalisa dengan akurat.



Menentukan kedalaman GPR D = (5.9t)/sqrt of (Er) D = depth of target (in) t = wave travel time (nanosec) 5.9 = a constant incorporating speed of light and unit conversions Er = dielectric constant of subsurface material Konstanta Dielectrik Berapa kedalaman pipa yang terdeteksi dengan 46 ns dalam pasir kering (Er = 4) Jawab:



Air



1



Pure water



81



Fresh water (ice)



4



D = (5.9 x 46) / sqrt (4)



Granite (dry)



5



D = 135.7 in



Clay (saturated)



8-12



Pipa ditemukan pada kedalaman 11 ft



Sand (dry)



4-6



Sand (saturated)



30



Conductive = High Dielectric Constant = Reflective Non-conductive = Low Dielectric Constant = Non-Reflective



Akuisisi data GPR Ada tiga jenis pengukuran : 1. Pengukuran refleksi Continuous Reflection Profiling (CRP). 2. Pengukuran velocity Sounding disebut Common Mid Point (CMP) untuk mementukan kecepatan versus kedalaman, 3. Transiluminasi disebut juga GPR Tomografi.



1.



Radar Reflection Profiling



Cara ini dilakukan dengan membawa antenna radar bergerak bersamaan diatas permukaan tanah. Apabila GPR ini dibawa berjalan (menurut garis lurus), gambar yang dihasilkan akan membentuk pola-pola tertentu, bergantung kepada objek yang ditumbuk oleh impuls elektromagnetik itu dan waktu tempuh sinyal.



T



R



reflector



T



R



reflector



2. Wide Agle Reflection and Refraction (WARR) atau Common Mid Point Cara WARR sounding ini dilakukan dengan menaruh transmitter pada posisi yang tetap dan receiver dibawa pada area penyelidikan. WARR sounding diterapkan pada kasus dimana bidang reflector relatif datar atau memiliki kemiringan yang rendah, karena asumsi ini tidak selalu benar pada kebanyakan kasus maka digunakan CMP sounding untuk mengatasi kelemahan tersebut. Pada CMP sounding kedua antenna bergerak menjauhi satu sama lainnya dengan titik tengah pada posisi yang tetap. T



R



R



R



R



T



T



T



R



R



R



3.



Transillumination atau Radar Tomography Metoda ini dilakukan dengan cara menempatkan transmitter dan receiver pada posisi yang berlawanan. Sebagai contoh jika transmitter diletakan pada satu satu sisi, maka receiver diletakan pada sisi yang lain dan saling berhadapan. Umumya metoda ini digunakan pada kasus non-destructive testing (NDT) dengan menggunakan frekuensi antenna yang tinggi sekitar 900 MHz.



T



R R R R



Spektrum Gelombang Elektromagnetik



TERIMA KASIH