El radar de penetración terrestre ( GPR ) es un método geofísico que utiliza pulsos de radar para obtener imágenes del subsuelo. Es un método no intrusivo de sondeo del subsuelo para investigar servicios subterráneos como hormigón, asfalto, metales, tuberías, cables o mampostería. [1] Este método no destructivo utiliza radiación electromagnética en la banda de microondas ( frecuencias UHF / VHF ) del espectro de radio y detecta las señales reflejadas de las estructuras del subsuelo. GPR puede tener aplicaciones en una variedad de medios, incluidos rocas, suelo, hielo, agua dulce, pavimentos y estructuras. En las condiciones adecuadas, los profesionales pueden utilizar GPR para detectar objetos subterráneos, cambios en las propiedades de los materiales y huecos y grietas. [2] [3]
GPR utiliza ondas de radio de alta frecuencia (normalmente polarizadas), normalmente en el rango de 10 MHz a 2,6 GHz. Un transmisor y una antena GPR emiten energía electromagnética al suelo. Cuando la energía encuentra un objeto enterrado o un límite entre materiales que tienen diferentes permitividades , puede reflejarse, refractarse o dispersarse hacia la superficie. Una antena receptora puede entonces registrar las variaciones en la señal de retorno. Los principios involucrados son similares a los de la sismología , excepto que los métodos GPR implementan energía electromagnética en lugar de energía acústica , y la energía puede reflejarse en los límites donde cambian las propiedades eléctricas del subsuelo en lugar de las propiedades mecánicas del subsuelo, como es el caso de la energía sísmica.
La conductividad eléctrica del suelo, la frecuencia central transmitida y la potencia radiada pueden limitar el rango de profundidad efectivo de la investigación GPR. Los aumentos de la conductividad eléctrica atenúan la onda electromagnética introducida y, por tanto, disminuye la profundidad de penetración. Debido a los mecanismos de atenuación dependientes de la frecuencia, las frecuencias más altas no penetran tan lejos como las frecuencias más bajas. Sin embargo, las frecuencias más altas pueden proporcionar una resolución mejorada . Por tanto, la frecuencia de funcionamiento es siempre un equilibrio entre resolución y penetración. La profundidad óptima de penetración subsuperficial se logra en hielo, donde la profundidad de penetración puede alcanzar varios miles de metros (hasta el lecho rocoso en Groenlandia) con bajas frecuencias de GPR. Los suelos arenosos secos o materiales secos masivos como granito , piedra caliza y hormigón tienden a ser resistivos más que conductores, y la profundidad de penetración podría ser de hasta 15 metros (49 pies). Sin embargo, en suelos húmedos o cargados de arcilla y materiales con alta conductividad eléctrica, la penetración puede ser de tan solo unos pocos centímetros.
Las antenas de radar de penetración terrestre generalmente están en contacto con el suelo para obtener la intensidad de señal más fuerte; sin embargo, las antenas GPR lanzadas desde el aire se pueden utilizar sobre el suelo.
La GPR de pozos cruzados se ha desarrollado dentro del campo de la hidrogeofísica para ser un medio valioso para evaluar la presencia y cantidad de agua en el suelo .
La primera patente para un sistema diseñado para localizar objetos enterrados mediante un radar de onda continua fue presentada por Gotthelf Leimbach y Heinrich Löwy en 1910, seis años después de la primera patente para el radar propiamente dicho (patente DE 237 944). En 1926 el Dr. Hülsenbeck (DE 489 434) presentó una patente para un sistema que utiliza impulsos de radar en lugar de una onda continua, lo que permitió mejorar la resolución de profundidad. La profundidad de un glaciar fue medida utilizando un radar de penetración terrestre en 1929 por W. Stern. [4]
Los avances en este campo fueron escasos hasta la década de 1970, cuando las aplicaciones militares comenzaron a impulsar la investigación. Siguieron las aplicaciones comerciales y en 1975 se vendió el primer equipo de consumo asequible. [4]
En 1972, la misión Apolo 17 llevaba un radar de penetración terrestre llamado ALSE (Experimento Apollo Lunar Sounder) en órbita alrededor de la Luna. Pudo registrar información de profundidad de hasta 1,3 km y registró los resultados en una película debido a la falta de un almacenamiento informático adecuado en ese momento. [5] [6]
GPR tiene muchas aplicaciones en varios campos. En las ciencias de la Tierra se utiliza para estudiar lechos de roca , suelos, aguas subterráneas y hielo . Es de cierta utilidad en la prospección de pepitas de oro y diamantes en lechos de grava aluvial, al encontrar trampas naturales en lechos de arroyos enterrados que tienen el potencial de acumular partículas más pesadas. [7] El vehículo lunar chino Yutu tiene un GPR en su parte inferior para investigar el suelo y la corteza de la Luna.
Las aplicaciones de ingeniería incluyen pruebas no destructivas (END) de estructuras y pavimentos, localización de estructuras enterradas y líneas de servicios públicos, y estudio de suelos y lechos de roca. En remediación ambiental , GPR se utiliza para definir vertederos, columnas de contaminantes y otros sitios de remediación, mientras que en arqueología se utiliza para mapear características arqueológicas y cementerios. GPR se utiliza en el cumplimiento de la ley para localizar tumbas clandestinas y pruebas enterradas. Los usos militares incluyen la detección de minas, municiones sin detonar y túneles.
Los radares de pozo que utilizan GPR se utilizan para mapear las estructuras de un pozo en aplicaciones de minería subterránea. Los modernos sistemas de radar direccional de pozo pueden producir imágenes tridimensionales a partir de mediciones en un solo pozo. [8]
Una de las otras aplicaciones principales de los radares de penetración terrestre es la localización de servicios públicos subterráneos. Las herramientas de localización de servicios públicos por inducción electromagnética estándar requieren que los servicios públicos sean conductores. Estas herramientas son ineficaces para localizar conductos de plástico o alcantarillas sanitarias y pluviales de hormigón. Dado que GPR detecta variaciones en las propiedades dieléctricas en el subsuelo, puede ser muy eficaz para localizar servicios públicos no conductivos.
El GPR se utilizó a menudo en el programa de televisión Time Team del Canal 4 , que utilizó la tecnología para determinar un área adecuada para el examen mediante excavaciones. GPR también se utilizó para recuperar £150.000 en rescate en efectivo que Michael Sams había enterrado en un campo, tras el secuestro de un agente inmobiliario en 1992. [9]
Las aplicaciones militares del radar de penetración terrestre incluyen la detección de municiones sin detonar y la detección de túneles. En aplicaciones militares y otras aplicaciones comunes de GPR, los profesionales suelen utilizar GPR junto con otras técnicas geofísicas disponibles, como la resistividad eléctrica y los métodos de inducción electromagnética .
En mayo de 2020, el ejército estadounidense encargó un sistema de radar de penetración terrestre a Chemring Sensors and Electronics Systems (CSES) para detectar dispositivos explosivos improvisados (IED) enterrados en las carreteras, en un acuerdo de 200,2 millones de dólares. [10]
Se ha demostrado un enfoque novedoso y reciente para la localización de vehículos utilizando imágenes basadas en mapas anteriores de un radar de penetración terrestre. Denominado "radar de localización de penetración terrestre" (LGPR), se han demostrado precisiones a nivel de centímetros a velocidades de hasta 100 km/h (60 mph). [11] La operación de circuito cerrado se demostró por primera vez en 2012 para la dirección autónoma de vehículos y se utilizó para operaciones militares en 2013. [11] La localización a nivel de centímetros de la velocidad de la carretera durante una tormenta de nieve nocturna se demostró en 2016. [12] [ 13] Esta tecnología fue comercializada y autorizada exclusivamente para la seguridad de vehículos en ADAS y sistemas de mantenimiento de carril y posicionamiento de vehículos autónomos por GPR Inc. y comercializada como Ground Positioning Radar(tm).
El estudio con radar de penetración terrestre es un método utilizado en geofísica arqueológica . GPR se puede utilizar para detectar y mapear artefactos , características y patrones arqueológicos del subsuelo. [14]
El concepto de radar es familiar para la mayoría de la gente. En el radar de penetración terrestre, la señal del radar (un impulso electromagnético) se dirige al suelo. Los objetos del subsuelo y la estratigrafía (capas) provocarán reflejos que serán captados por un receptor. El tiempo de viaje de la señal reflejada indica la profundidad. Los datos se pueden representar como perfiles, como mapas en planta que aíslan profundidades específicas o como modelos tridimensionales.
GPR puede ser una herramienta poderosa en condiciones favorables (los suelos arenosos uniformes son ideales). Al igual que otros métodos geofísicos utilizados en arqueología (y a diferencia de la excavación), puede localizar artefactos y mapear características sin ningún riesgo de dañarlos. Entre los métodos utilizados en geofísica arqueológica, es único tanto por su capacidad para detectar algunos objetos pequeños a profundidades relativamente grandes como por su capacidad para distinguir la profundidad de las fuentes de anomalías.
La principal desventaja del GPR es que está severamente limitado por condiciones ambientales que no son ideales. Los sedimentos de grano fino (arcillas y limos) suelen ser problemáticos porque su alta conductividad eléctrica provoca una pérdida de intensidad de la señal; Los sedimentos rocosos o heterogéneos dispersan la señal del GPR, debilitando la señal útil y aumentando el ruido extraño.
En el campo del patrimonio cultural, el GPR con antena de alta frecuencia también se utiliza para investigar estructuras históricas de mampostería, detectar grietas y patrones de deterioro de columnas y desprendimientos de frescos. [15]
Los criminólogos, historiadores y arqueólogos utilizan GPR para buscar sitios de enterramiento. [16] En su publicación, Interpretación del radar de penetración terrestre para arqueología , Lawrence Conyers, "uno de los primeros especialistas arqueológicos en GPR", describió el proceso. [17] Conyers publicó una investigación utilizando GPR en El Salvador en 1996, [18] en el período Chaco de la región de Four Corners en el sur de Arizona en 1997, [19] [20] y en un sitio medieval en Irlanda en 2018. [21] Informado Según la investigación de Conyer, [17] el Instituto de Praderas y Arqueología Indígena de la Universidad de Alberta , en colaboración con el Centro Nacional para la Verdad y la Reconciliación , han estado utilizando GPR en su estudio de las escuelas residenciales indias en Canadá . [22] En junio de 2021, el Instituto había utilizado GPR para localizar presuntas tumbas anónimas en áreas cercanas a cementerios históricos y escuelas residenciales indias. [22] El 27 de mayo de 2021, se informó que los restos de 215 niños fueron encontrados usando GPR en un lugar de entierro en la Escuela Residencial India Kamloops en tierras de la Primera Nación Tk'emlúps te Secwépemc en Columbia Británica. [23] En junio de 2021, la Primera Nación Cowessess en Saskatchewan utilizó tecnología GPR para localizar 751 tumbas anónimas en el sitio de la Escuela Residencial India Marieval , que había estado en funcionamiento durante un siglo hasta que se cerró en 1996. [24]
Los avances en la tecnología GPR integrada con varias plataformas de modelado de software 3D generan reconstrucciones tridimensionales de "formas y sus relaciones espaciales" del subsuelo. Para 2021, esto ha ido "emergiendo como el nuevo estándar". [25]
La radioglaciología es el estudio de glaciares , capas de hielo , casquetes polares y lunas heladas utilizando un radar de penetración de hielo . Emplea un método geofísico similar al radar de penetración terrestre y normalmente opera en frecuencias en las porciones MF , HF , VHF y UHF del espectro de radio . [26] [27] [28] [29] Esta técnica también se conoce comúnmente como "radar de penetración de hielo (IPR)" o "sondeo de eco por radio (RES)".
Los glaciares son particularmente adecuados para la investigación por radar porque la conductividad , la parte imaginaria de la permitividad y la absorción dieléctrica del hielo son pequeñas en radiofrecuencias, lo que resulta en valores de tangente , profundidad de la piel y atenuación de baja pérdida . Esto permite detectar ecos de la base de la capa de hielo a través de espesores de hielo superiores a 4 km. [30] [31] La observación subterránea de masas de hielo utilizando ondas de radio ha sido una técnica geofísica integral y en evolución en glaciología durante más de medio siglo. [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] Sus usos más extendidos han sido la medición del espesor del hielo, la topografía subglacial y la estratigrafía de la capa de hielo. [40] [33] [30] También se ha utilizado para observar las condiciones subglaciales y de las capas de hielo y los glaciares, incluida la hidrología, el estado térmico, la acumulación, la historia del flujo, la estructura del hielo y la geología del lecho. [26] En la ciencia planetaria, el radar de penetración de hielo también se ha utilizado para explorar el subsuelo de los casquetes polares de Marte y los cometas. [41] [42] [43] Se planean misiones para explorar las lunas heladas de Júpiter. [44] [45]Las líneas individuales de datos GPR representan una vista seccional (perfil) del subsuelo. Se pueden utilizar múltiples líneas de datos recopilados sistemáticamente sobre un área para construir imágenes tridimensionales o tomográficas . Los datos pueden presentarse como bloques tridimensionales o como cortes horizontales o verticales. Los cortes horizontales (conocidos como "cortes de profundidad" o "cortes de tiempo") son esencialmente mapas de vista en planta que aíslan profundidades específicas. La división del tiempo se ha convertido en una práctica estándar en las aplicaciones arqueológicas , porque los patrones horizontales suelen ser el indicador más importante de las actividades culturales. [20]
La limitación de rendimiento más importante de GPR se encuentra en materiales de alta conductividad, como suelos arcillosos y suelos contaminados con sal. El rendimiento también está limitado por la dispersión de la señal en condiciones heterogéneas (por ejemplo, suelos rocosos).
Otras desventajas de los sistemas GPR disponibles actualmente incluyen:
El radar es sensible a los cambios en la composición del material; detectar cambios requiere movimiento. Al mirar a través de elementos estacionarios utilizando un radar de penetración en la superficie o en el suelo, es necesario mover el equipo para que el radar examine el área especificada buscando diferencias en la composición del material. Si bien puede identificar elementos como tuberías, huecos y tierra, no puede identificar materiales específicos, como oro y gemas preciosas. Sin embargo, puede ser útil para proporcionar un mapeo del subsuelo de posibles bolsas o "vugs" que contengan gemas. Las lecturas pueden confundirse por la humedad del suelo y no pueden separar las bolsas que contienen gemas de las que no las contienen. [46]
Al determinar las capacidades de profundidad, el rango de frecuencia de la antena dicta el tamaño de la antena y la capacidad de profundidad. El espaciado de la cuadrícula que se escanea se basa en el tamaño de los objetivos que deben identificarse y los resultados requeridos. Los espaciamientos típicos de las rejillas pueden ser de 1 metro, 3 pies, 5 pies, 10 pies, 20 pies para estudios de terreno y para paredes y pisos de 1 pulgada a 1 pie.
La velocidad a la que viaja una señal de radar depende de la composición del material que se penetra. La profundidad hasta un objetivo se determina en función del tiempo que tarda la señal del radar en reflejarse en la antena de la unidad. Las señales de radar viajan a diferentes velocidades a través de diferentes tipos de materiales. Es posible utilizar la profundidad de un objeto conocido para determinar una velocidad específica y luego calibrar los cálculos de profundidad.
En 2005, el Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones introdujo una legislación para regular los equipos GPR y los operadores de GPR para controlar el exceso de emisiones de radiación electromagnética. [47] La asociación europea GPR (EuroGPR) se formó como una asociación comercial para representar y proteger el uso legítimo de GPR en Europa.
El radar de penetración terrestre utiliza una variedad de tecnologías para generar la señal de radar: impulso, [48] frecuencia escalonada, onda continua de frecuencia modulada ( FMCW ) y ruido. Los sistemas disponibles en el mercado en 2009 también utilizan el procesamiento de señales digitales (DSP) para procesar los datos durante el trabajo topográfico en lugar de hacerlo fuera de línea.
Un tipo especial de GPR utiliza señales de onda continua no moduladas. Este radar holográfico del subsuelo se diferencia de otros tipos de GPR en que registra hologramas del subsuelo en vista en planta. La penetración en profundidad de este tipo de radar es bastante pequeña (20 a 30 cm), pero la resolución lateral es suficiente para discriminar diferentes tipos de minas terrestres en el suelo, o cavidades, defectos, dispositivos de escucha u otros objetos ocultos en paredes, pisos y elementos estructurales. [49] [50]
El GPR se utiliza en vehículos para el reconocimiento de carreteras a alta velocidad y la detección de minas terrestres, así como en modo de espera. [ definición necesaria ]
El radar de penetración de tuberías (IPPR) y el GPR en alcantarillado (ISGPR) son aplicaciones de tecnologías GPR aplicadas en tuberías no metálicas donde las señales se dirigen a través de las paredes de las tuberías y conductos para detectar el espesor de las paredes de las tuberías y los huecos detrás de las paredes de las tuberías. [51] [52] [53]
El radar de penetración de paredes puede leer a través de estructuras no metálicas, como lo demostraron por primera vez la ASIO y la policía australiana en 1984 mientras inspeccionaban una antigua embajada rusa en Canberra . La policía mostró cómo observar a las personas a una distancia de hasta dos habitaciones lateralmente y a través del piso verticalmente, podía ver trozos de metal que podrían ser armas; GPR puede incluso actuar como sensor de movimiento para guardias militares y policías.
SewerVUE Technology, una empresa de evaluación avanzada del estado de las tuberías, utiliza el radar de penetración de tuberías (PPR) como una aplicación de GPR en las tuberías para ver el espesor restante de la pared, la cubierta de las barras de refuerzo, la delaminación y detectar la presencia de huecos que se desarrollan fuera de la tubería.
EU Detect Force Technology, una empresa de investigación avanzada del suelo, utiliza el diseño del X6 Plus Grounding Radar (XGR) como una aplicación GPR híbrida para la detección de minas militares y también para la detección de bombas policiales.
El "Proyecto Mineseeker" busca diseñar un sistema para determinar si hay minas terrestres en áreas utilizando unidades de radar de apertura sintética de banda ultra ancha montadas en dirigibles .
Puede encontrar una descripción general de las aplicaciones científicas y de ingeniería en:
Se puede encontrar una descripción general de los métodos geofísicos en arqueología en los siguientes trabajos:
