Untersuchungen zur Reproduzierbarkeit von Bodenradarmessungen

Abstract

Das Bodenradar (auch Georadar, elektromagnetische Reflexionsmethode (EMR) oder Ground Penetrating Radar (GPR) genannt) ist die geophysikalische Messmethode mit der höchsten räumlichen Auflösung und wird in erster Linie zur Erkundung des oberflächennahen Bereichs verwendet. Von einer Sendeantenne werden dabei kurze, hochfrequente elektromagnetische Impulse in den Boden gesendet. Treffen diese auf eine Grenzfläche, welche durch zwei Materialen mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften gebildet wird, werden sie teilweise reflektiert und transmittiert. Der entscheidende Parameter ist dabei die Dielektrizitätszahl.<br /> Das Ziel dieser Arbeit war die quantitative Reproduzierbarkeit von Bodenradarmessungen zu untersuchen. Die Motivation für dieses Vorhaben ergab sich aus dem Bestreben Beiträge für eine optimierte Interpretation von Radargrammen und die quantitative Auswertung von Reflexionsamplituden zu liefern. Zudem finden sich in der Literatur nur sehr wenige Quellen, die dieses Thema aufgreifen, so dass mit den durchgeführten Messungen diese Lücke geschlossen werden sollte.<br /> Vorbereitend zu den Untersuchungen im Feld wurden Experimente durchgeführt, um Systemeigenschaften (Stabilität des abgestrahlten Signals, Rauscheigenschaften) und Störungen, die während einer Messung auftreten können, und deren Auswirkungen auf die Daten zu betrachten.<br /> Anschliessend wurden Wiederholungsmessungen, die aus zeitlich direkt aufeinanderfolgenden Vermessungen eines Profils mit dem Bodenradar bestanden, durchgeführt. Um eine gute Datenbasis zu erhalten, wurde eine größere Anzahl dieser Untersuchungen durchgeführt bei denen auch Änderungen einzelner Messparameter vorgenommen wurden. Bewusst wurden dabei keine Laborbedingungen geschaffen, sondern die Messungen unter "normalen" Bedingungen durchgeführt, um die Übertragbarkeit der Resultate in die Praxis zu stärken. <br /> Für den Vergleich der Wiederholungsmessungen wurden sowohl die aufgezeichneten Radarspuren als auch die aus ihnen berechneten Amplitudenspektren untersucht. Dies geschah durch einfache Differenzenbildung und darüber hinaus durch die Berechnung der Variationskoeffizienten und Korrelationsbetrachtungen. Waren geeignete Reflexionshorizonte vorhanden, wurden zusätzlich die Laufzeiten des Signals in diesem Bereich verglichen.<br /> Die Ergebnisse zeigen, dass die Beurteilung der Reproduzierbarkeit von Bodenradarmessungen unter realen Bedingungen, d.h. beim Einsatz im Feld, durch einen Plus-Minus Wert nicht ausreichend ist. Die weitergehenden Betrachtungen lassen aber eine gute Reproduzierbarkeit erkennen und liefern überdies Möglichkeiten für eine ergänzende Auswertung von Bodenradardaten. So konnte die Datenqualität in den einzelnen Bereichen des Radargramms mittels des Variationskoeffizienten einer schnellen Überprüfung unterzogen werden. Desweiteren hat sich diese Darstellung neben dem Konzept der Moving-Window Korrelationsanalyse als gutes Mittel herausgestellt, die maximale Eindringtiefe des Signals abzuschätzen. Die Vergleiche der Signallaufzeiten führten im Mittel zu Differenzen von 0,1 bis 0,26 ns, wobei die Standardabweichungen zwischen 0,2 und 0,42 ns variieren.