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 inspección 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. El GPR puede tener aplicaciones en una variedad de medios, incluyendo rocas, suelo, hielo, agua dulce, pavimentos y estructuras. En las condiciones adecuadas, los profesionales pueden utilizar el GPR para detectar objetos del subsuelo, cambios en las propiedades de los materiales y huecos y grietas. [2] [3]
El 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 de vuelta a la superficie. Una antena receptora puede entonces registrar las variaciones en la señal de retorno. Los principios implicados 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 efectiva de la investigación GPR. Los aumentos en la conductividad eléctrica atenúan la onda electromagnética introducida y, por lo 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 lo tanto, la frecuencia de operación siempre es un equilibrio entre la resolución y la penetración. La profundidad óptima de penetración del subsuelo se logra en el hielo, donde la profundidad de penetración puede alcanzar varios miles de metros (hasta el lecho de roca en Groenlandia) a bajas frecuencias de GPR. Los suelos arenosos secos o los materiales secos masivos como el granito , la piedra caliza y el hormigón tienden a ser resistivos en lugar de 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 tan pequeña como unos pocos centímetros.
Las antenas de radar de penetración terrestre generalmente están en contacto con el suelo para obtener la mayor intensidad de señal; sin embargo, se pueden usar antenas GPR lanzadas desde el aire por encima del suelo.
El GPR de pozos cruzados se ha desarrollado dentro del campo de la hidrogeofísica para ser un medio valioso para evaluar la presencia y la cantidad de agua del suelo .
La primera patente para un sistema diseñado para utilizar un radar de onda continua para localizar objetos enterrados fue presentada por Gotthelf Leimbach y Heinrich Löwy en 1910, seis años después de la primera patente para el radar (patente DE 237 944). En 1926, el Dr. Hülsenbeck presentó una patente para un sistema que utiliza pulsos de radar en lugar de una onda continua (DE 489 434), lo que condujo a una mejor resolución de la profundidad. En 1929, W. Stern midió la profundidad de un glaciar utilizando un radar de penetración terrestre. [4]
Los avances en este campo fueron escasos hasta la década de 1970, cuando las aplicaciones militares comenzaron a impulsar la investigación. Luego vinieron las aplicaciones comerciales y en 1975 se vendió el primer equipo de consumo asequible. [4]
En 1972, la misión Apolo 17 llevó un radar de penetración terrestre llamado ALSE (Apollo Lunar Sounder Experiment) en órbita alrededor de la Luna. Fue capaz de registrar información de profundidad hasta 1,3 km y registró los resultados en película debido a la falta de almacenamiento informático adecuado en ese momento. [5] [6]
El 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 rover 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 (NDT) de estructuras y pavimentos, localización de estructuras enterradas y líneas de servicios públicos, y estudio de suelos y lechos de roca. En la remediación ambiental , el 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. El GPR se utiliza en la aplicación de la ley para localizar tumbas clandestinas y evidencia enterrada. Los usos militares incluyen la detección de minas, municiones sin explotar y túneles.
Los radares de sondeo que utilizan GPR se utilizan para mapear las estructuras de un sondeo en aplicaciones de minería subterránea. Los sistemas de radar de sondeo direccional modernos pueden producir imágenes tridimensionales a partir de mediciones en un solo sondeo. [8]
Otra de las principales aplicaciones 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 no son efectivas para localizar conductos de plástico o alcantarillas pluviales y sanitarias de hormigón. Dado que el GPR detecta variaciones en las propiedades dieléctricas del subsuelo, puede ser muy eficaz para localizar servicios públicos no conductores.
El GPR se utilizó a menudo en el programa de televisión Time Team del Canal 4 , en el que se utilizó esta tecnología para determinar una zona adecuada para su examen mediante excavaciones. El GPR también se utilizó para recuperar 150.000 libras esterlinas en efectivo como rescate que Michael Sams había enterrado en un campo, tras el secuestro de una agente inmobiliaria en 1992. [9]
Las aplicaciones militares del georradar incluyen la detección de municiones sin explotar y la detección de túneles. En aplicaciones militares y otras aplicaciones comunes del georradar, los profesionales suelen utilizar el georradar junto con otras técnicas geofísicas disponibles, como la resistividad eléctrica y los métodos de inducción electromagnética .
En mayo de 2020, el ejército estadounidense encargó a Chemring Sensors and Electronics Systems (CSES) un sistema de radar de penetración terrestre para detectar dispositivos explosivos improvisados (IED) enterrados en las carreteras, en un acuerdo por 200,2 millones de dólares. [10]
Recientemente se ha demostrado un nuevo enfoque para la localización de vehículos utilizando imágenes basadas en mapas anteriores de radares de penetración terrestre. Se ha demostrado que el "radar de penetración terrestre de localización" (LGPR) tiene una precisión centimétrica a velocidades de hasta 100 km/h (60 mph). [11] El funcionamiento en circuito cerrado se demostró por primera vez en 2012 para la dirección autónoma de vehículos y se puso en práctica para operaciones militares en 2013. [11] La localización centimétrica de la velocidad de la carretera durante una tormenta de nieve nocturna se demostró en 2016. [12] [13] Esta tecnología fue licenciada y comercializada exclusivamente para la seguridad de los vehículos en sistemas ADAS y de posicionamiento y mantenimiento de carril de vehículos autónomos por GPR Inc. y se comercializó como Ground Positioning Radar(tm).
El estudio con radar de penetración terrestre es un método utilizado en geofísica arqueológica . El GPR se puede utilizar para detectar y mapear artefactos , características y patrones arqueológicos del subsuelo. [14]
El concepto de radar resulta familiar para la mayoría de las personas. En el caso del radar de penetración terrestre, la señal del radar (un pulso electromagnético) se dirige hacia el suelo. Los objetos del subsuelo y la estratigrafía (capas) provocarán reflexiones que serán captadas por un receptor. El tiempo de recorrido de la señal reflejada indica la profundidad. Los datos pueden representarse gráficamente como perfiles, como mapas en planta que aíslan profundidades específicas o como modelos tridimensionales.
El 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 en su capacidad para detectar algunos objetos pequeños a profundidades relativamente grandes como en 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 las ideales. Los sedimentos de grano fino (arcillas y limos) suelen ser problemáticos porque su alta conductividad eléctrica causa pérdida de intensidad de la señal; los sedimentos rocosos o heterogéneos dispersan la señal del GPR, debilitando la señal útil y aumentando el ruido externo.
En el campo del patrimonio cultural, el GPR con antena de alta frecuencia también se utiliza para investigar estructuras de mampostería históricas, detectar grietas y patrones de descomposición de columnas y desprendimiento de frescos. [15]
Los criminólogos, historiadores y arqueólogos utilizan el GPR para buscar lugares de enterramiento. [16] En su publicación, Interpretando el radar de penetración terrestre para la 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 la región de las Cuatro Esquinas del período Chaco en el sur de Arizona en 1997, [19] [20] y en un sitio medieval en Irlanda en 2018. [21] Informado por la investigación de Conyer, [17] el Instituto de Arqueología de Praderas e Indígena de la Universidad de Alberta , en colaboración con el Centro Nacional para la Verdad y la Reconciliación , ha estado utilizando GPR en su estudio de Escuelas Residenciales Indígenas en Canadá . [22] Para junio de 2021, el Instituto había utilizado GPR para localizar tumbas sospechosas sin marcar en áreas cercanas a cementerios históricos y Escuelas Residenciales Indígenas. [22] El 27 de mayo de 2021, se informó que se encontraron 215 anomalías sin marcar (posiblemente tumbas de niños) utilizando GPR en un lugar de enterramiento en la Escuela Residencial Indígena Kamloops en la tierra de la Primera Nación Tk'emlúps te Secwépemc en Columbia Británica. [23] En junio de 2021, la Primera Nación Cowessess en Saskatchewan utilizó la tecnología GPR para localizar 751 tumbas sin marcar en el sitio de la Escuela Residencial Indígena Marieval , que había estado en funcionamiento durante un siglo hasta que se cerró en 1996. [24]
Los avances en la tecnología GPR integrados con varias plataformas de modelado de software 3D generan reconstrucciones tridimensionales de las "formas y sus relaciones espaciales" del subsuelo. En 2021, esto se ha convertido en el nuevo estándar. [25]
La radioglaciología es el estudio de los glaciares , las capas de hielo , los casquetes polares y las lunas heladas mediante 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 "radio ecosonda (RES)".
Los glaciares son particularmente adecuados para la investigación por radar debido a que la conductividad , la parte imaginaria de la permitividad y la absorción dieléctrica del hielo son pequeñas en frecuencias de radio, lo que resulta en valores bajos de tangente de pérdida , profundidad de la piel y atenuación . 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 del subsuelo de masas de hielo mediante 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 de las capas de hielo y los glaciares, incluida la hidrología, el estado térmico, la acumulación, el historial de 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 de GPR representan una vista en sección (perfil) del subsuelo. Se pueden utilizar múltiples líneas de datos recopilados sistemáticamente sobre un área para construir imágenes tridimensionales o tomográficas . Los datos se pueden presentar 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. El corte de tiempo se ha convertido en una práctica estándar en aplicaciones arqueológicas , porque los patrones horizontales son a menudo el indicador más importante de las actividades culturales. [20]
La limitación más importante del rendimiento del 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 de los materiales; detectar cambios requiere movimiento. Cuando se mira a través de elementos estacionarios utilizando un radar de penetración superficial o de penetración terrestre, el equipo debe moverse para que el radar examine el área especificada buscando diferencias en la composición de los materiales. Si bien puede identificar elementos como tuberías, huecos y tierra, no puede identificar los materiales específicos, como el oro y las gemas preciosas. Sin embargo, puede ser útil para proporcionar un mapeo del subsuelo de posibles cavidades con gemas, o "vugs". Las lecturas pueden confundirse por la humedad en el suelo y no pueden separar las cavidades con gemas de las que no las tienen. [46]
Al determinar las capacidades de profundidad, el rango de frecuencia de la antena determina 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 se deben identificar y los resultados requeridos. Los espaciados de cuadrícula típicos pueden ser de 1 metro, 3 pies, 5 pies, 10 pies, 20 pies para estudios de suelo y de 1 pulgada a 1 pie para paredes y pisos.
La velocidad a la que viaja una señal de radar depende de la composición del material que se está penetrando. La profundidad a un objetivo se determina en función del tiempo que tarda la señal de radar en reflejarse de nuevo en la antena de la unidad. Las señales de radar viajan a distintas velocidades a través de distintos tipos de materiales. Es posible utilizar la profundidad a 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 a los operadores de GPR con el fin de controlar el exceso de emisiones de radiación electromagnética. [47] La Asociación Europea de 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: estas son impulso, [48] frecuencia escalonada, onda continua modulada en frecuencia ( FMCW ) y ruido. Los sistemas que se comercializaron en 2009 también utilizan procesamiento de señal digital (DSP) para procesar los datos durante el trabajo de investigación en lugar de hacerlo fuera de línea.
Un tipo especial de GPR utiliza señales de onda continua no moduladas. Este radar holográfico de subsuelo se diferencia de otros tipos de GPR en que registra hologramas de subsuelo en vista en planta. La profundidad de penetración de este tipo de radar es bastante pequeña (20-30 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 la detección de minas terrestres y reconocimiento de carreteras a alta velocidad. EU Detect Force Technology, una empresa de investigación de suelos avanzada, utiliza el radar de puesta a tierra X6 Plus (XGR) como una aplicación híbrida de GPR para la detección de minas militares y también para la detección de bombas por parte de la policía. 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 .
El radar de penetración en tuberías (IPPR) y el GPR en alcantarillas (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]
SewerVUE Technology, una empresa de evaluación avanzada del estado de las tuberías, utiliza el radar de penetración de tuberías (PPR) como una aplicación GPR en la tubería para ver el espesor restante de la pared, la cobertura de las barras de refuerzo, la delaminación y detectar la presencia de huecos que se desarrollan fuera de la tubería.
El radar que penetra en las paredes puede leer a través de estructuras no metálicas, como lo demostró por primera vez ASIO y la policía australiana en 1984 durante la inspección de una antigua embajada rusa en Canberra . La policía demostró cómo vigilar a personas a dos habitaciones de distancia lateralmente y a través de los pisos verticalmente, y podía ver bultos de metal que podrían ser armas; el GPR puede incluso actuar como un sensor de movimiento para guardias militares y policías.
Se puede encontrar una descripción general de las aplicaciones científicas y de ingeniería en:
Una visión general de los métodos geofísicos en arqueología se puede encontrar en los siguientes trabajos:
