Jeoradar (Ground Penetrating Radar-GPR) jeofiziğin sığ uygulamalarında kullanılan ve kullanım alanı çok geniş bir araştırma tekniğidir. Yeraltına bir gönderici anten yoluyla yüksek frekanslı elektromanyetik (10 MHz ile 3 GHz arasında) radar sinyalleri gönderilerek ve bunların yer içindeki yansımalarının gidiş-geliş zamanlarından yararlanılarak oluşturulan radargramlar ile yeraltındaki yapılar yüksek ayrımlı olarak incelenir (Şekil 1).
Şekil 1.Verici antenden çıkan radar dalgalarının yer içindeki yayınımı ve alıcı antene ulaşmasını gösteren basitleştirilmiş şekil ve elde edilen A-scan verilerin, B ve C-scan olarak gösterimleri. (Radarteam GPR)
Elektromanyetik dalgalar yeraltına belirli merkez frekanslarında gönderilir ve ortam içinde yayınan radar dalgasının dalga nüfuz derinliği, saçılım ve soğrulmasında kaynak frekansın önemi büyüktür. Ayrıca yeraltındaki materyallerin dielektrik geçirimlilik, elektrik iletkenlik ve manyetik geçirgenlik değerleri de yeraltında seyahat eden dalga alanları üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Tüm bu nedenler birlikte göz önüne alındığında jeoradar yönteminin doğası karmaşıktır ve özellikle yeraltının da önemli oranda heterojen olduğu düşünüldüğünde, yorumlama zorlukları ortaya çıkmaktadır. Bu durumda elektromanyetik dalganın yayınım özellikleri ile ilişkili kuramın yanı sıra geometrik optik kurallarda büyük önem taşır. Yeraltındaki her bir madde ya da ortamın dielektrik özellikleri önemlidir ve her biri elektriksel anlamda yalıtkan bir ortam olarak düşünülerek, bu özelliklere bağlı olarak yeraltının karakteri tanımlanmaya çalışılır. Doğal olarak bu olayda elektriksel iletkenlik ve manyetik geçirgenlikte önem taşıyan diğer olgulardır ve matematiksel denklemin çözümü sırasında göz önüne alınırlar. Optik kuram özellikle yeraltındaki ortamın kuru olması durumuyla oldukça ilişkilidir. Materyallerin su ve nem içermeleri durumunda iletimde ortamdaki dielektrik durum önem kazanacaktır (Tablo 1).
Yöntemin kullanım alanları günümüzde çok yaygındır ve hemen hemen tüm sığ jeofizik sorunlar üzerinde uygulanmaktadır. Özellikle sığ jeolojik sorunlar (stratigrafi, fay belirlemeleri, heyelan, karstik boşluk, sığ yeraltısuyu akifer araştırmaları vb.), arkeolojik yapıların ve yaşayan kültürel mirasın incelenmesi, mühendislik uygulamalar (boru hatları araştırması, tünel-otoyol ve demiryolu hatlarının incelenmesi, bina donatılarının ve bina içindeki sorunların araştırılması vb), patlamamış askeri malzeme ve mayın saptama, adli tıp ve doğal felaketler, kirlilik ve yeraltında kimyasal akışkan sızıntılarının belirlenmesi, katı atık alanları üzerinde araştırmalar, maden yataklarının tespitleri ve cevher arama ile mermer çalışmaları gibi birçok alanda zengin bir uygulama sahasına sahiptir (Tablo 2) (Klein ve Santamarina, 2003; Huisman ve diğ., 2003; Lucius ve diğ., 1992; Bristow ve diğ., 2000; Drahor , 2007; Drahor vd., 2011).
Tablo 1. Farklı yeraltı ortamlarının bağıl dielektrik geçirgenlik katsayısı, elektrik iletkenlik σ ve sönümlenme α değerleri (Daniels, 2004’den düzenlenmiştir).
Tablo 2. Jeoradar (Georadar) yönteminin uygulama alanları.
Günümüzde yaygın kullanılan antenler sinyalin yer içine iletilmesinde doğrudan yeryüzüne bağımlı olan ve yere temas edecek biçimde ölçü alınması gereken elemanlardır. Antenin yere bağımlı olması birçok olumsuz durumun ortaya çıkmasına da neden olur. Özellikle zemini bozuk alanlarda böyle antenlerle ölçüm almak olanaklı değildir, ayrıca yüzeydeki taşlar, yüzey düzensizlikleri, ani değişimler gibi birçok etken anteni etkiler ve istenmeyen “ringing” türü etkilerin veriye girmesine neden olur. Bunların bir kısmı sinyal proses işlemleriyle giderilebilirken, giderilmeyen kısımlar ise sorunlu kayıtların eldesine neden olur.
Bu amaçla, yukarıda anlatılan “ground coupling” antenlerin sorunları “air coupling” antenlerin kullanılmasıyla birlikte giderilmiştir. Bu antenler günümüzde teknolojik gelişimin etkisiyle kablosuz biçimde “wireless sinyaller” yardımıyla antenin yere sinyal gönderme ve yer içinden yansıyan antene geri gelen sinyallerin kaydedilmesini sağlar. Böylece hem kolay ölçü yapılır hem de kablolardan kaynaklı background etkisi, ringing ve sinyal genliği değişimlerinden çok etkilenmez. Oysa “ground coupling” sistemlerde, bu tür olgular sinyalleri büyük oranda etkilediğinden kayıtlarda görülen sorunlar daha fazladır. Ayrıca bu tip yeni sistemler bir aracın önüne ya da arkasına bağlanarak, yürüyerek, bir el arabası yardımıyla, dron veya helikopterle havadan ya da bir bot yardımıyla tatlısu gölleri üzerinde ölçüm alabilecek olanaklarla üretilmektedirler. (Şekil 2). Böylece esnek kullanım ve daha az ekipmanla veri toplama olanağı sağlayan bu cihazlar yardımıyla, daha derini incelemek olanaklı olmuş (en fazla 125 m) ve birçok değişik sorunun daha yararlı incelenebilme olanağı ortaya çıkmıştır.
Şekil 2: Modüler tasarımlara sahip yeni sınıf jeoradar (GPR) sistemleri. (Radarteam GPR)
Ayrıca geleneksel monostatik tek frekanslı antenler yerine son yıllarda dual frekans antenler ortaya çıkmış ve iki ayrı frekans üzerinden ölçümlerin aynı anda yapılmasının yolunu açmıştır. Ancak bu sistemlerde veriler ayrı ayrı toplandığından iki ayrı değerlendirmeden sonra birleştirilerek yorumlama yapılır. Şekil 3’de üç tür antenin karşılaştırılması verilmektedir. Tek frekanslı antenler bir merkez frekansına bağımlıdır ve yeraltını merkez frekansla ilişkili frekanslar bağlamında inceler. Şekilde görüldüğü gibi, örneğin 400 MHz’lik ve uygulamada yoğun kullanılan bir antenin etkileşimli frekans aralığı 200-600 MHz arasındadır. Gömülü nesneleri ancak kendi frekans bandının sağladığı olanaklar içinde belirleyebilir. Bu nedenle, değişik derinlikte ve boyutlarda nesneleri inceleyebilmek için aynı alanda farklı frekanslarda antenler kullanılmalıdır. Böylece yeraltındaki bir nesneyi doğru pozisyonda, derinlikte ve boyut anlamında belirleyebilmek için birkaç antenin aynı alanda kullanılması kaçınılmazdır. Dual frekans antenler ise bağımsız iki ayrı frekanstan çalışırlar. Aslında farklı frekanslı iki ayrı veri setini tek bir ölçümde ölçerler ve ölçüm zamanını azaltırlar. Ancak frekans içeriklerine bakıldığında, örneğin şekilde 600 ve 300 MHz üzerinden sinyal gönderildiği düşünüldüğünde, 600 MHz ile 300-900 MHz ve 300 MHz ile de 150-450 MHz arasındaki bir aralık tek seferde incelenebilir. Ancak bu antenlerle bağımsız iki ayrı ölçü aldığından, iki farklı frekans bandı arasında bir ölü bölge oluşur ve bu bölgede kalan, örneğin bu örnekte 300-600 MHz arasındaki aralıktaki veriler tam bir radar örüntüsü oluşturamaz ve 450 MHz civarındaki veriler güvenilir bir aralık içinde davranış göstermezler. Bu nedenle radargramların birleştirilmesinde, bu bölgelerde ortaya çıkan sorunlu sinyallerin birleşme olasılığı yüksektir. Çoklu frekans özellikli antenler ise, burada COBRA CBD GPR verilmektedir ve bu sistem 200, 400 ve 800 MHz arasında kesintisiz bir veri toplar ve bunların tek bir radargramda doğru olarak birleştirilmesiyle ve kenar frekanslarında etkisiyle yeraltı 50-1400 MHz arasındaki sinyallerle incelenebilir, tek bir kayıt altında derinlemesine ve sinyaller arasında herhangi bir ayrım ve ortama bağlı genlik düşüşlerinin dışında sistemden kaynaklı bir genlik düşüşüyle karşılaşılmaz. Böylesi bir sistemin frekans spektrumuna bakıldığında, üç ayrı frekansın etki aralığı, belirgin olarak görülmektedir ve frekanslar arasındaki kesişim bölgelerinde yaklaşık 2-3 dB’in dışında önemli bir değişim görülmemektedir. Böylece bu sınıf antenler yeraltını belirlenen frekans aralıklarında tarayabilir ve tüm derinlikler için sonuç alınabilir. Böylesi bir sistem kullanılarak, yeraltındaki elektriksel koşullar uygunsa, en fazla 12 m derinliğe kadar yeraltı kesintisiz ve yüksek çözünürlükte incelenebilir. Bu antenlerin genel avantajlarını ise şu biçimde verebiliriz;
- Tek bir dosyada tüm derinliklerde otomatik olarak seçilen optimum frekansla karıştırılmış/harmanlanmış veriler.
- Yüksek çözünürlük/frekanslı yüzeye yakın veriler ve daha düşük frekans gerektiren derin hedefler.
- Frekans filtreleri ayarlamaya gerek yok. Akıllı CBD anteni kendi kendini filtreler.
- Harmanlanmış frekanslar nedeniyle verilerde “ölü bölgeler” veya kör noktalar yoktur.
- Özel formülle frekans içeriğinden doğrudan hız hesaplaması yapılması.
- Gerçek Zamanlı Örnekleme teknolojisi seçeneği.
- Ringing olmadan hava bağlantılı çalışma. (Ringing’leri önlemek için diğer antenlerin toprağa doğrudan temas etmesi gerekir). Bu da ölçümlerde her zaman olası olmamaktadır.
Böylesi bir sistem araştırıcılara 1350 MHz’lik eşsiz bant genişlikli ve birçok avantaj ve özelliğe sahip bir CBD antenle eşsiz bir araştırma olanağı sunar. CBD tekniği günümüzde GPR’de 200 ile 800 MHz arasındaki nominal frekanslara sahip birden fazla antenin yerini alabilen gelişmiş özelliğiyle, GPR araştırmalarında son teknoloji ürünü bir sistemdir.
Şekil 3: Jeoradar (GPR) anten sistemlerinin karşılaştırılması (Radarteam GPR)