Das Bauradar

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Aufgabe

Hochauflösendes Verfahren zur Bestimmung von Strukturen oder zur Objektdetektion im Untergrund und im Bauwerk aufgrund der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen. Seltener: Ermittlung von Materialeigenschaften.

Häufige Anwendungen (siehe Abb. 4 und 5)

Bauwerke

Beton- und Stahlbetonbau (z.B. Brücken, Tunnel, Staubauwerke, Industriebauwerke)

Ziele: schlaffe und Spannbewehrung, Bauteilaufbau (Dicken), Fehlstellen (z.B. Hohlstellen, Kiesnester, Feuchte)

Mauerwerk (z.B. in historischen Gebäuden)

Ziele: struktureller Aufbau (Schalen, Dicken), Einbauteile (Klammern, Dübel, Anker, Hölzer), Schadstellen (Risse, Ablösung), Feuchte- und Salzverteilung, Sanierungskontrolle

Verkehrswege (z.B. Straßen, Gleise)

Ziele: Schichtdicken (Asphalt, Tragschichten), Schadstellen (Schichtablösungen, Schotterverschmutzungen und -säcke)

Erdbauwerke (z.B. Dämme)

Ziele: Struktureller Aufbau, gestörter Aufbau

 

Untergrund

Altlasten (z.B. Ablagerungen, Industriebrachen)

Ziele: Objekte (Tanks, Fässer)

Baugrund (z.B. Baugruben, Leitungstrassen)

Ziele: alte Bauwerksreste, Objekte, Hohlräume, Leitungen)

Geologie

Ziele: Hohlräume, Boden- und Sedimentschichten, Wassertiefen und Ablagerungen im flachen Süßwasser

 

Sonstiges

Archäologie

Ziele: Bauwerksreste, Objektdetektion, verborg. bauliche Situtationen

Kriminalistik

Ziele: Objektdetektion (verborg. Kammern, verstecktes Gut), Leichen

Verfahrensgrundlagen

Wellenausbreitung: Das Georadar beruht auf der aktiven Aussendung elektromagnetischer Wellen in ein Medium, meist in Form von Impulsen mit Dominanzfrequenzen im Bereich von ca. 20 MHz bis 2 GHz. Die Wellenausbreitung hängt von den elektrischen Materialeigenschaften ab. Wesentlich hierfür sind die Dielektrizität ε und die Leitfähigkeit σ (Die Permeabilität μ spielt in mineralischen Stoffen keine wesentliche Rolle.). Auf seinem Weg wird das Radarsignal an Diskontinuitäten gestreut, reflektiert und gebeugt sowie durch Absorption in hohem Maße geschwächt.

 

Reflexionsanordnung (siehe Abb. 1): Diese Anordnung wird bei der gängigen Georadarmessung verwendet. Reflexionen finden an Kontrasten v.a. der Dielektrizität ε aber auch der elektr. Leitfähigkeit σ statt. Es gilt näherungsweise für den Reflexionskoeffizienten R1,2 = . Die Wellengeschwindigkeit v ist v.a. von der Dielektrizität ε abhängig.

Es gilt die Näherung v = ε (c = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum). Der Reflektorabstand d (z.B. Objektoberkante) berechnet sich aus der Wellengeschwindigkeit v und der Laufzeit t des Signals zu d = ½t *v. Entscheidend für die Radarreichweite ist die Höhe der Leitfähigkeit, welche die Absorption bewirkt. Daneben spielt auch die Signalstreuung durch Inhomogenitäten eine große Rolle. Niederfrequente Signale haben eine größere Reichweite als hochfrequente Signale.

Transmissionsanordnung (siehe Abb. 2): Diese Anordnung wird eher bei Spezialmessungen verwendet. Ziele sind i.a. die Wellengeschwindigkeit bzw. die Dielektrizität und/oder die Signalabsorption zur Charakterisierung von Materialparametern (z.B. Feuchte, Salze) oder Strukturanalysen (z.B. Radartomographie).

 

Typische Ausstattung
Signalerzeugung
Sende-Empfang-Antennenkombination für geotechnische und ingenieurmäßige Anwendungen, teilweise getrennte Sender und Empfänger für geolog. Fragestellungen und Spezialanwendungen
Signalregistrierung
Radarsteuer- und Aufzeichnungseinheit
Auswertung
Spezielle Auswertesoftware für PC oder Workstation
Personal
Messtrupp und Auswertepersonal (besonders qualifizierte Fachkräfte)

Typische Anwendungsart und Datendarstellung (siehe Abb. 3)

Zur Datenaufnahme wird eine Sender-Empfänger-Kombination entlang einer Messlinie mit möglichst geringem Abstand (wenige cm) über die Messfläche gezogen. Meist können die Daten dabei am Bildschirm beobachtet werden. In sehr dichter Folge wird gesendet und empfangen, sodass die Messung entlang der Messlinie quasi als kontinuierlich bezeichnet werden kann (Messpunktabstand wenige cm). Registriert wird die Signalamplitude in Abhängigkeit der Zeit als sog. Signalspur (siehe Abb. 1, Signalspur mit Amplitude als Kurvenauslenkung). Die Amplitude wird meist grauwert- oder farbcodiert dargestellt. Durch Aneinanderreihung der Signalspuren erhält man ein Diagramm, in dem die Entfernung entlang der Messlinie über der Laufzeit aufgetragen ist. In diesem sog. Radargramm – quasi ein Tiefenschnitt – zeigen sich die reflektierenden Strukturen als mehr oder weniger starke Signale.

Im Allgemeinen überwiegt bei Georadar die Betrachtung von nahezu vertikal ausgesandten und reflektierten Signalen, jedoch erlaubt eine räumliche Trennung von Sender und Empfänger die Aufzeichnung von unterschiedlichen Winkeln reflektierten Signalen oder die Durchstrahlung des Untersuchungsobjektes.

Reichweite

Die Reichweite bzw. Eindringtiefe von Georadar ist i.w. von folgenden Punkten abhängig:

  • Reflexionskoeffizient: Damit eine Reflexion entsteht, muss ein Materialkontrast vorhanden sein.
    Maximal ist dieser bei Metall. Metallgegenstände sind i.a. gut erkennbar, können jedoch Dahinterliegendesverdecken.
  • Signalabsorption: Je elektrisch leitfähiger das Medium ist, desto größer ist die Absorption. Bodenleitfähigkeiten können um 10er-Potenzen schwanken. Dies wirkt sich direkt auf die Absorption aus.
  • Signalstreuung: Je homogener das Untersuchungsmedium ist, desto sicherer kann ein Objekt erkannt werden und desto weiter reichen die Radarsignale. Künstliche Auffüllungen (Schutt/Müll) streuen in der Regel stark, natürlicher Boden mittel und kompakter Fels wenig.
  • Entfernung: Bedingt durch die räumliche Divergenz des Signals nimmt dessen Stärke an der Wellenfront ab.
  • Objektgröße und -form: Größere, glatte Flächen reflektieren einen höheren Signalanteil als kleine rauhe Flächen. Stark geneigte Reflektorflächen lenken einen Großteil des Signals zur Seite und nicht zur Antenne.
  • Signalfrequenzen: Niederfrequente Signale haben eine größere Reichweite jedoch eine geringere Auflösung.
  • Messmethodik/Datenverarbeitung: Durch spezielle Anordnungen von Sender und Empfänger kann u.U. eine verbesserte Reichweite erzielt werden. Auch eine geeignete digitale Datenverarbeitung kann durch Nutzsignalerhöhung eine Reichweitenverbesserung bewirken.

 

Praktische Anhaltspunkte für die Reichweite, die teilweise deutlich über- oder unterschritten werden können:

trockene Kiese und Sande 5 - 10 m,
gesättigte Kiese und Sande 2 - 5 m,
schluffige, feuchte Kiese/Sande 2 - 3 m,
bindiger, sehr trockener Boden 2 m,
bindiger, feuchter Boden u.U. über 1 m,
Gestein 5 bis über 10 m,
kompakter Dolomit, Marmor über 20 m,
Süßwasser 4 bis 6 m,
Salzwasser 0 m.

Feuchte und bindige Bodenbestandteile vermindern aufgrund ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit die Reichweite.

 



 

Erwägungen vor dem Georadareinsatz
  • Hebt sich das gesuchte Objekt durch einen ausreichenden Materialkontrast von der Umgebung ab?
  • Ist die Leitfähigkeit des Untersuchungsmediums niedrig genug, dass die erforderliche Reichweite erzielt werden kann?
  • Ist das Untersuchungsmedium homogen oder stark gestört, sodass das zu suchende Objekt erkennbar sein kann?
  • Ist die Messoberfläche ausreichend glatt, damit die Antenne dicht darübergezogen werden kann?
  • Können die Messlinien so gewählt werden, dass vergleichende Messungen möglich sind?
  • Sind die zu erwartenden Aussageunsicherheiten akzeptabel?

Datenverarbeitung

Unverarbeitete Radargramme setzen sich aus dem Primärsignal (Sendesignal plus Oberflächenreflexion, siehe Abb. 3, A), dem Nutzsignal und dem Störsignal zusammen. Die Datenverarbeitung dient der Hervorhebung des Nutzsignals, der Maßstabsentzerrung sowie der Umwandlung der Laufzeit in Tiefenangaben. Bei einfachsten Messungen und klaren Daten kann ggf. auf Datenverarbeitung verzichtet werden. In der Regel ist eine Filterung zur Unterdrückung von stochastischem und kohärentem Rauschen sinnvoll, ohne dass damit der Aufwand zu hoch wird. Wichtig ist auch eine geeignete Darstellung der Radardaten. Verfeinerte Datenverarbeitungsschritte (z.B. Migration, Dekonvolution) erhöhen den Aufwand und sind meist nur bei speziellen Problemstellungen sinnvoll.

Auswertung/Dateninterpretation

Da es sich bei Georadar um ein indirektes Verfahren handelt, müssen die Daten interpretiert werden. Das heißt, dass die Antwort auf die Fragestellung i.a. nicht unmittelbar aus den Daten abgelesen werden kann. Die Interpretation soll von erfahrenen Bearbeitern erfolgen. Bei klaren Daten kann die Interpretation sehr sicher und zuverlässig sein. Die Dateninterpretation ist normalerweise nicht unbefangen, da Annahmen und Vorkenntnisse einfließen. Die Auswertung wird durch zielgerichtetes Suchen erleichtert. Bei sehr schlechter Datenlage sind allerdings Fehlinterpretationen oder größere Ungenauigkeiten nicht auszuschließen.

Tiefenangaben/Genauigkeit

Bei Georadar handelt es sich um Laufzeitmessungen. Die Laufzeitachse kann bei bekannter Wellengeschwindigkeit in eine Tiefenachse überführt werden. Da die Wellengeschwindigkeit tatsächlich nie konstant ist, ist die Tiefenachse nur eine Näherung. Insbesondere ist sie sehr unterschiedlich ober- und unterhalb des Grundwasserspiegels.

Ohne besonderen Aufwand und bei normalen Bedingungen liegt die Unsicherheit der Angaben unterhalb von +/-10% der Entfernung. Bei präzisen Messungen und günstigen Bedingungen kann die Unsicherheit wesentlich vermindert werden. Die Genauigkeit von Tiefenangaben kann durch spezielle Georadarmessungen (z.B. CMP-Methode), Auswertung von Diffraktionen oder durch Kalibrierung an Eichsondierungen verbessert werden. Jedoch haben die Messbedingungen meist den entscheidenden Anteil an der Ungenauigkeit. In vielen Fällen reichen Erfahrungswerte der Wellengeschwindigkeit zur groben Tiefenangabe aus.

 

Spezielle Datendarstellung/Zeitscheiben

Bei flächigen Untersuchungen können die Messungen rasterförmig angelegt werden, wie dies in Abb. 6 skizziert ist. Die Messlinien werden dann mit geringem und möglichst gleichem Abstand ausgelegt. Zunächst werden die bereits beschriebenen Radargramme - quasi Schnitte - aufgezeichnet. Die Daten können nun rechnerisch so umsortiert werden, dass man eine Signalamplitudendarstellung innerhalb der gesamten Messfläche für eine bestimmte Laufzeit erhält. Diese Darstellung nennt man Zeitscheibe. Dieser Zeitscheibe kann eine etwaige Tiefe zugeordnet werden. Bei Untergrundsuntersuchungen ist sie somit eine grundrissähnliche Darstellung, worin die Reflexionsstärken aus einer bestimmten Tiefe zu sehen sind. Die Berechnungen können für beliebige Tiefen erfolgen.

Häufig verwendete Begriffe
Reflexion
Teil eines Signals, welcher an einer Diskontinuität (Materialwechsel) zurückgeworfen wird (siehe Abb. 3, B).
Diffraktion
Teil eines Signals, welcher an (im Vergleich zur Wellenlänge) kleinen Objekten oder an Kanten von ausgedehnten Reflektoren gebeugt und zurückgeworfen wird (siehe Abb. 3, E).
Reflektor/Diffraktor
Diskontuinität woran die Reflexion/Diffraktion stattfindet (Oberflächen von z.B. Schichten oder Objekten).
Transducer
Sende-Empfänger-Antenne.
Dominanzfrequenz
Die Signale des Impulsradars besitzen eine Bandbreite von Frequenzen. Bei der Dominanzfreq. handelt es sich um die mittlere Frequenz (Mittenfreq.). Sie ist ein wichtiges Unterscheidungskriterium v. Antennen.
Hochfrequenzantennen
Hochauflösende Antennen mit geringer Eindringtiefe, meist im Einsatz für zerstörungsfr. Prüfungen, Dominanzfrequenz ab ca. 800 MHz, Anhaltspunkt: bis 1 m Reichweite.
Mittelfrequenzantennen
Mittel auflösende und eindringende Antennen, häufiger Einsatz für geotechnische Frage stellungen, Dominanzfrequenzen zwischen ca. 200 und 600 MHz, Anhaltspunkt: 2 bis 4 m Reichweite.
Niederfrequenzantennen
Gering auflösende Antennen mit großer Reichweite bei geeignetem Untergrund, Einsatz meist für geologische Fragestellungen, Dominanzfrequenzen ca. 25 bis 100 MHz, Anhaltspunkt: 3 - 10 m Reichweite.
Luftwelle
I.a. sehr geringer Signalanteil, der sich jedoch ungedämpft in der Luft ausbreitet und auch zu diesbezüglichen Störsignalen führen kann (insbesondere in Gebäuden).
Synonyme für Georadar
EMR (Elektromagnetische Reflexion), GR (Georadar), GPR (Groundprobing Radar), Impulsradar.
Kombinierbare Verfahren

Tiefeindringende Metalldetektoren, Geoelektrik, Geomagnetik.