Bodenradar

Archäologische Sondierung am Neptunbrunnen in Berlin

Ein Bodenradar, auch Georadar, engl. Ground Penetrating Radar (GPR) oder Radio Echo Sounding (RES), misst Störungen in den oberen Schichten des Erdbodens durch Reflexion elektromagnetischer Strahlung. In der Geophysik dient es zur Untersuchung der oberen Schichten der Erdkruste und beim Militär zum Aufspüren von Landminen aller Art.

Bei diesem Radar handelt es sich um ein Ultrabreitband-Verfahren, das sehr kurze Impulse von wenigen Picosekunden bis zu einigen Nanosekunden Länge von der Oberfläche in den Untergrund abstrahlt und nach Reflexion an einer Schichtgrenze oder Objekten sowie der Streuung an Einlagerungen wieder aufnimmt. Die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen im Untergrund ist dabei stark abhängig von den im Boden befindlichen Strukturen, die Reflexion, Streuung, Beugung und Transmission der eingestrahlten Welle hervorrufen. Aufgezeichnet werden die Laufzeit, die Phase und die Amplitude der reflektierten Welle.

Für die Abstrahlung und den Empfang der kurzen Impulse werden breitbandige Antennen, insbesondere die für ultrakurze Impulse besonders geeignete Vivaldi-Antenne, benutzt. Die Arbeitsfrequenzen liegen im Bereich von 1-1000 MHz. Höhere Frequenzen verbessern die Auflösung. Andererseits nimmt die Signaldämpfung zu und damit die Eindringtiefe ab.

Radargramm

Radarprofil über würmeiszeitliche Kiesschüttungen (Oberschwaben)

Das Bild zeigt ein Beispiel eines Bodenradarbildes. Der Abstand zwischen dunkelgrüner Sende- zur Empfangsantenne ist konstant. Jede Messung erzeugt eine Spalte im Bild. Durch Verschieben der Sende- und Empfangseinheit entlang der Profillinie erhält man eine zweidimensionale Darstellung der Reflexionen im Untergrund.

Die ersten Signale setzen nach ca. 5 ns ein. Sie haben den direkten Weg über die Luft genommen, folglich hatten die Antennen einen Abstand von ca. 2 m.

Für die Umwandlung der Laufzeit des Signals in eine Tiefenangabe (Zeit-Tiefen-Konversion) wird die jeweilige Ausbreitungsgeschwindigkeit des elektromagnetischen Signals in den von ihm durchlaufenen Medien benötigt, die von den spezifischen elektrischen Eigenschaften der jeweiligen Medien abhängt. Zur Zeit-Tiefen-Konversion müssen daher weitere geologische Informationen (z.B. aus Kernbohrungen) herangezogen werden.

Anwendungsbereiche

Zur Erkundung des flachen Untergrundes wird das Bodenradar als nicht-invasive Methode bei geologischen und geotechnischen Fragestellungen, in der Rohstoffexploration (Sand, Kies) und für ingenieurgeologische Untersuchungen eingesetzt. Weitere Anwendungsmöglichkeiten liegen im Bereich der Archäologie, in der Trassenerkundung sowie im Berg- und Tunnelbau.

SHARAD Radargramm; Tiefenprofil entlang der eingezeichneten Spur auf der Marsoberfläche.

MARSIS Ionogramm der Ionosphäre des Mars.

Die Raumsonde Mars Express untersucht mit dem Radar MARSIS den Marsboden in einer Tiefe von bis zu 5 km. Der Abstand der Antenne zum Boden beträgt mehr als 300 km bis maximal 800km. MARSIS ist auch in der Lage, die Ionosphäre zu sondieren. Die Messfrequenz liegt bei 1,8–5 MHz, 0,1–5 MHz bei Ionosphärenmessung.

Die amerikanische Sonde Mars Reconnaissance Orbiter trägt ein ähnliches Bodenradar, das SHARAD (Shallow Radar). Die höhere Messfrequenz von 15–25 MHz liefert eine höhere Auflösung als MARSIS, dafür aber eine geringere Eindringtiefe. Das Bild rechts zeigt ein SHARAD-Radargramm entlang der im unteren Teilbild gezeigten Spur. Die Farben charakterisieren das Höhenprofil von Grün (Senke) zu Rot (Erhebung). Die Abschätzung der Profiltiefe erfolgte über eine Schätzung der Signalausbreitungsgeschwindigkeit im Gestein.

Bohrlochradar

Eine weitere Anwendung des Bodenradars ist das Bohrlochradar, welches speziell für Bohrlöcher konzipiert ist. Eine Methode der Geophysik sind Testbohrungen zur Materialanalyse. In diesem Zusammenhang bieten Bohrlochradarsysteme eine wesentliche Möglichkeit der Charakterisierung der Umgebung dieser Bohrungen unter Einsatz eines nicht-invasiven Bodenradarsystems. Hauptsächlich werden Bohrlochradarsysteme mit omnidirektionalen Empfangsantennen eingesetzt, die den Abstand von Reflektoren messen, jedoch keine Information über den azimutalen Winkel. Richtungssensitive Antennen hingegen ermöglichen die Messung der Entfernung und Richtung der reflektierten Echos.

Literatur

• Jürg Leckebusch: Die Anwendung des Bodenradars (GPR) in der archäologischen Prospektion – 3D-Visualisierung und Interpretation. Leidorf, Rahden 2001, ISBN 3-89646-403-5
• D.J. Daniels: Ground-penetrating radar. Inst. of Electrical Engineers, London 2004, ISBN 0-86341-360-9
• C. S. Bristow: Ground penetrating radar in sediments. Geological Society, London 2003 ISBN 1-86239-131-9
• Harry M. Jol: Ground Penetrating Radar – Theory and Applications. Elsevier, Amsterdam 2009, ISBN 978-0-444-53348-7
• Günter Schlögel: Modellierung und Lokalisierung kleinräumiger Einlagerungen (Kriegsrelikte) im Untergrund mit Georadar. Dipl.-Arb., Montanuniv. Leoben 2007, [1] (pdf, 3,5 MB, abgerufen 9. März 2009)
• Olaf Borchert: Receiver Design for a Directional Borehole Radar System Dissertation, Bergische Universität Wuppertal, 2008, [2] (pdf, 8,2 MB, abgerufen 12. Oktober 2009)

Weblinks

• Landschaftsarchäologie / Limes Hinterland Projekt Österreichisches Archäologisches Institut Wien