Cómo Funciona un Georadar.

El Georadar es un radar terrestre para detectar y localizar en profundidad con precisión las cavidades subterráneas y otras características. A esta tecnología también se le conoce como radar geológico de tierra. La mayoría de las personas son conscientes de la existencia de detectores de metales, que funcionan según el mismo principio. A diferencia de los detectores de metales, que pueden sondear la tierra desde varias decenas de centímetros, el Georadar puede sondear el suelo desde varios metros de profundidad. Veamos cómo funciona un Georadar.

Para poder funcionar, el Georadar transmite ondas electromagnéticas a través del suelo gracias a una antena transmisora. Cuando se detecta un cambio en la estructura del suelo, las ondas son retransmitidas y analizadas por una antena receptora. El resultado del análisis se realiza mediante la interpretación de un radargrama, que es una representación gráfica de la medición.

Cómo funciona un georadar
Cómo funciona un georadar
Índice De Contenidos

    Qué es un Georadar.

    El radar de penetración terrestre (en inglés GPR para Ground Penetrating Radar) es una técnica de prospección geofísica no destructiva. Está basada en el análisis de fenómenos de propagación (refracción, reflexión y difracción) de ondas electromagnéticas de alta frecuencia. Generalmente de 10 MHz a 2 GHz en el sub -suelo.

    El GPR, inicialmente de naturaleza impulsiva, se basa en la excitación del subsuelo, desde una antena transmisora, por un tren de pulsos de corta duración (1 a 50 ns). Esto para detectar utilizando una antena receptora, los ecos sucesivos asociados con los contrastes de permitividades o conductividades encontradas por las ondas electromagnéticas durante su propagación.

    Estos contrastes atestiguan la presencia de objetivos enterrados o la estratificación del sótano.

    Es el movimiento del radar en la superficie o en el suelo lo que hace posible adquirir trazas (cortes o "exploraciones" del radar) a lo largo de una ventana de tiempo.  Para formar radargramas (o imágenes de radar) de la estructura del subsuelo. Se hace una distinción entre aplicaciones destinadas a detectar objetos o anomalías de aquellas destinadas a determinar las propiedades intrínsecas del subsuelo.

    Cómo Funciona un Georadar.

    El radar de penetración de tierra, es un instrumento usado en geofísica para conocer la estructura de la capa superior del suelo a alta resolución. Funciona con ondas electromagnéticas de alta frecuencia que pueden penetrar en el suelo. La energía irradiada se refleja por cualquier cambio en las propiedades eléctricas en la estructura del subsuelo sin perturbarlo.

    Este tipo de radar, desarrollado en la década de 1970, se utiliza en arqueología, estudios ambientales, ingeniería. Tambien en búsqueda de pistas por parte de la policía, etc. Es un uso de radares de banda ultra ancha (generalmente 300 MHz a 3300 MHz). Esta técnica es económica, fácil de usar y la radiación es inofensiva para los humanos, ya que es del orden de un milivatio.

    El radar de penetración en el suelo se mueve lentamente sobre la superficie a sondear y, por lo tanto, el haz escanea una capa más o menos gruesa debajo de él. Dependiendo del sistema y la naturaleza del suelo, dicho radar puede sondear hasta unas pocas decenas de metros debajo de la superficie y dar una serie de secciones verticales.

    La energía reflejada depende de las propiedades del material atravesado. Y el radar puede detectar la profundidad, conductividad, permisividad, densidad y posición de los objetos enterrados. Es el tiempo de ida y vuelta de la señal lo que da la profundidad de estos.

    Procesamiento de señal en un GPR.

    El movimiento del radar genera una imagen en bruto de una sección vertical del suelo. Dado que la frecuencia utilizada no permite una apertura de haz débil, todos los objetos encontrados durante el sondeo devuelven ecos, incluso si no son exactamente verticales al radar.

    Sin embargo, todos los ecos recibidos se muestran como si este fuera el caso. Lo que significa que aquellos que vienen de una dirección lateral y, por lo tanto, han recorrido una distancia mayor, se colocan a una profundidad mayor de la que están realmente. Además, la forma de un eco es hiperbólica y su posición real está en el vértice de la hipérbola.

    En la imagen en bruto, se muestra al menos una línea continua de ecos cerca de la superficie. Esto es causado por la recepción de la señal de la antena transmisora por la antena receptora en el aire debajo del radar. A menudo se le conoce como "el primer retorno de aire" y se eliminará más tarde mediante el procesamiento de la señal. También se observa una segunda línea, que proviene del retorno al pensar en el cambio de entorno entre el aire y el suelo.

    Con un buen tratamiento de los ecos mediante filtros electrónicos, es posible especificar la posición real de los objetos debajo de la superficie. Estos filtros reducen las pérdidas de difusión, los ecos de ruido y los de retorno por las no-homogeneidades de la capa cruzada que causa el desorden del radar. La amplificación de la señal también se puede variar según el tiempo de recepción para compensar la atenuación del curso en el suelo.

    Sin embargo, la transposición del tiempo de viaje a distancia / profundidad no es fácil. La velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas varía con el tipo de suelo y no es homogénea. En suelo seco, la velocidad es la mitad que, en el aire. Pero en suelo húmedo o en arcilla, es solo entre un cuarto y una décima parte. Por lo tanto, es necesario tener al menos una idea de la composición del subsuelo antes de realizar mediciones.  Estas se pueden obtener mediante pruebas sísmicas.

    Visualización de la señal.

    El resultado de un levantamiento vertical se puede mostrar en un osciloscopio como una pantalla A: amplitud en el eje Y en comparación con el tiempo de retorno de la señal de los ecos en el eje X. Una rotación de 90 grados de estos datos se llama "el rastro". Se puede construir un gráfico de tipo B con una serie de mediciones cuando el radar se mueve en una dirección para dar una sección vertical: los ecos se encuentran en el eje Y, y el eje X representa la distancia recorrida en la superficie. Los ecos se diferencian por su intensidad o por un esquema de color.

    Finalmente, se pueden ensamblar varias secciones verticales en lo que luego se llama una pantalla C: los ejes X e Y se convierten en coordenadas cartesianas horizontales del sitio topográfico y la pantalla muestra los ecos a una profundidad elegida. La figura 5 muestra una serie de secciones horizontales así obtenidas.

    Las imágenes de las pantallas A, B o C se denominan "radargramas" en las publicaciones y la técnica para obtenerlas "radargrametría". Cabe señalar que estas diferentes pantallas no deben confundirse con las de los radares de vigilancia convencionales.

    Antena radiante de pulso.

    La elección de una antena para un GPR que opera en el dominio de la frecuencia no es muy esencial, solo debe poder transmitir en el rango de frecuencias utilizado. Por otro lado, para un radar que opera en el dominio del tiempo, la elección es difícil, debe tener el mismo punto focal para todas las frecuencias utilizadas para no cambiar la forma del pulso. Por ejemplo, una antena logarítmica periódica no es adecuada para este uso. Además, para dispositivos portátiles, se requieren pequeñas dimensiones geométricas para que el dispositivo no sea demasiado pesado.

    La antena radiante pulsada fue desarrollada específicamente para aplicaciones de banda de frecuencia ultra ancha. Produce una onda plana cuyas diferentes frecuencias interfieren para dar un pulso a una distancia del radar. Incluye un dipolo, por ejemplo, un cono de metal frente a una antena parabólica. Esto le da una buena directividad y permite una fuerza de campo de pico muy alta. Usando una antena de 0.8 metros, su ancho de banda varía de 0.2 a 6 GHz.

    Al colocar un recubrimiento eléctricamente resistente entre las dos mitades de los elementos radiantes y el reflector parabólico, se evitarán los reflejos de pulsos de muy alta frecuencia en el radiador. En comparación con una antena de bocina con modo transversal electromagnético, este conjunto es mucho más compacto

    Aplicaciones del Georadar.

    Las aplicaciones son múltiples: geología, hidrología, glaciología, medio ambiente, prospección minera, neotectónica, arqueología, ingeniería civil. Entre estas aplicaciones, se puede citar la localización de objetos metálicos o no metálicos enterrados como cables, conductos, cimientos, armaduras, cavidades, zonas alteradas, minas y la caracterización de las propiedades intrínsecas de los materiales geológicos (suelos, rocas) o artificiales (hormigón, asfalto o madera).

    Cada tipo de aplicación requiere una implementación experimental específica (adquisición por reflexión o transmisión, muestreo espacial, mapeo 2D o 3D, frecuencia nominal de excitación, etc.) y procesamiento asociado con las señales en bruto (filtrado, migración, inversión datos) para reconstruir un modelo del sótano. La mejora en la detección por un sistema de radar se debe actualmente al desarrollo de nuevas técnicas para el procesamiento de señales y la tomografía.

    Para la construcción, permitirá el estudio de sótanos con vistas a la construcción, y detectará cualquier falla. Se puede usar para buscar diferentes fuentes de agua que no se pueden detectar en la superficie (pozo, río, etc.). En la investigación subterránea, el Georadar también puede señalar cualquier objeto que pueda presentar un peligro (proyectiles, bombas, etc.). La tecnología de radar terrestre es tan poderosa que también se usa en otros campos además de la construcción.

    Esto ya se ha demostrado en el campo legal, o en el campo arqueológico para la búsqueda de edificios u objetos antiguos ocultos bajo tierra, como por ejemplo en Egipto, donde los investigadores japoneses hicieron descubrimientos hasta ahora desconocidos gracias al radar de tierra.

    Ventajas del Georadar.

    Un Georadar permite una visualización eficiente del subsuelo escaneado. Esta eficiencia toma mayor importancia por su facilidad de uso, y por ser una herramienta que no es invasiva en comparación con otras técnicas. Tampoco requiere perforación o excavación, lo que le da otro plus a su uso.

    Esta tecnología es muy versátil, y su aplicación se generalizó a muchas ramas de la ciencia, sobre todo al sector de la construcción y el de la investigación.

    Limitaciones del Georadar.

    A pesar de la tecnología de alto rendimiento, el radar de tierra tiene reglas que deben observarse con respecto a su uso. Entre las limitaciones, se recomienda utilizarlo en un terreno plano y seco, incluso en profundidad, bajo pena de falsificar los análisis del suelo. El suelo no debe estar formado por piedras o rocas en su superficie, de hecho, su inestabilidad puede causar señales falsas.

    Ciertos tipos de suelo, como arcilla, lutita o suelo ácido, tienden a tener una conductividad muy alta, lo que impide la penetración del suelo por la herramienta Georadar. Una sola penetración de corta distancia que sigue siendo posible cuando se usa una antena de alta frecuencia cuya frecuencia está entre 300 y 1000 MHz.

    Cuando se utiliza la herramienta del Georadar, se acepta comúnmente que las infraestructuras enterradas deben tener un diámetro de al menos una pulgada por cada pie de profundidad. Por ejemplo, si deseas usar GPR para una tubería de 2 metros de profundidad, debe tener aproximadamente 15 cm de diámetro.

    La eficacia del método del Georadar puede verse afectada por otros factores, como la proximidad de la infraestructura circundante, la accesibilidad del medio ambiente y la densidad del suelo.

    Sin embargo, ten cuidado antes de invertir en una cámara de velocidad de avance. El mercado ofrece una multitud de modelos que no son efectivos. Ciertos productos pueden presentarse como un Georadar cuando son simples detectores de metales. Recuerda que los detectores de metales no tienen la misma efectividad que un radar terrestre. Es importante estar bien informado antes de invertir en un radar de tierra.

    Tipos de Georadares.

    Los Georadares se pueden clasificar en dos categorías: señal pulsada y radares de onda sostenida.

    En el primer caso, los Georadares de señal pulsada, la antena emite una serie de pulsos y capta ecos del sótano. Por lo tanto, operan en el dominio del tiempo al relacionar la profundidad de los objetivos con el tiempo transcurrido entre la transmisión y la recepción. Para obtener un gran ancho de banda, los pulsos son extremadamente cortos, del orden de un nanosegundo o menos. El transmisor no modula la frecuencia de la onda portadora, sino que genera un pulso de amplitud, típicamente de 20 a 200 V, llamado banda base.

    La forma de estos impulsos se asemeja a un "sombrero mexicano" descrito matemáticamente por una derivada negativa normalizada de segundo orden de una curva gaussiana.

    Los Georadares que transmiten ondas sostenidas moduladas, con desplazamiento de frecuencia entre la señal transmitida y el eco, se consideran sistemas que funcionan en la representación de frecuencia. La mayoría de estos utilizan una variación de frecuencia de escalera porque su diseño es más simple y su costo es más bajo. Sin embargo, lleva más tiempo usarlos. El tiempo de ida y vuelta de los ecos se obtiene mediante la transformada inversa de Fourier y para obtener una mejor relación señal / ruido, es necesario integrar una gran cantidad de ecos provenientes del mismo objetivo.

    La elección del rango de frecuencias utilizado para un GPR es un compromiso entre la resolución de los datos y la profundidad del sondeo. Cuanto más bajas son las frecuencias, más profundo van al subsuelo, pero menor es la resolución (los objetivos deben ser mayores que la longitud de onda para ser visibles). Un radar de penetración en el suelo puede detectar objetos de hasta 30 o 40 metros de profundidad, pero solo puede distinguir dos objetivos si están espaciados al menos a 2 metros de distancia. Además, la señal se atenúa de manera diferente según la composición del suelo, la arcilla es el medio más absorbente y la arena seca la que permite que las olas pasen con mayor facilidad.

    El factor clave en la resolución vertical es el ancho de banda real de los ecos. Para la resolución horizontal, la forma del haz emitido por la antena es el factor determinante. Esto último puede mejorarse mediante un procesamiento de eco similar al de un radar de apertura sintética (SAR), pero el efecto es débil porque la velocidad de propagación en suelos heterogéneos no es constante.

    Una fuente de interferencia para un GPR es la emisión de teléfonos móviles. Por lo tanto, el operador debe apagar el que lleva puesto. Otra forma es codificar la fase de modulación del radar, que es posible para un dispositivo de onda continua modulada en frecuencia de banda delgada.

    Para Cerrar.

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    El radar de tierra generalmente tiene un costo significativo. Algunos vendedores también pueden ofrecer que sus productos sean probados en un sitio de prueba antes de la compra. Esto suena muy interesante y nada despreciable.

    Los radares de penetración en el suelo están disponibles en diferentes formatos, desde dispositivos portátiles hasta aquellos que se mueven en un carro. Los más pequeños se pueden colocar en una pared o piso para encontrar grietas o huecos en superficies no metálicas. Los dispositivos más grandes pueden ser arrastrados o empujados por un operador. La caja que contiene la antena y el carro deben estar hechos de materiales no metálicos para no interferir con las emisiones.

    Es posible usar un GPR en un vehículo de motor siempre que esté en una góndola no metálica en la parte delantera o trasera. Del mismo modo, se puede montar debajo de un helicóptero, un avión o un satélite. El MARSIS GPR fue, por lo tanto, una parte integral de la sonda espacial Mars Express que examinó el suelo marciano a una profundidad de 5 km utilizando frecuencias de 1 a 5 MHz. La distancia entre la antena y el planeta oscilaba entre 300 y 800 km.

    Para concluir, elegir el producto correcto dependerá sobre todo del tipo de uso que estés considerando.

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