9.) Bodenuntersuchungen mit einem Georadar in Bad Bodendorf

Betreuer: Mona Budde, Jana Schierjott

Anfahrt: Um zur neunten Station der diesjährigen Georallye zu kommen, fahren Sie von Norden (Bonn/Köln/Düsseldorf) kommend auf der A 61 bis zum Autobahnkreuz 30 (Dreieck Bad Neuenahr/Ahrweiler) und folgen den Schildern A 573 Richtung Bad Neuenahr/Ahrweiler. Fahren Sie weiter auf der B 266 (Ahrtalstraße) bis zum Ortseingang Bad Bodendorf. Biegen Sie an der ersten Kreuzung rechts ab in die Bäderstraße und folgen Sie dem Straßenverlauf bis zu einem Eiscafé, wo Sie links weiter der Straße folgen und auf dem Parkplatz auf der rechten Seite parken können. Von dort aus laufen Sie zurück in Richtung Café und biegen links in den Feldweg ab. Auf der Wiese finden Sie unsere Station.

Von Süden fahren Sie auf der B9 bis nach Remagen und dort auf die Auffahrt auf die B 266 (Richtung Altenahr/Bad Neuenahr/Ahrweiler), der Sie bis zum Ortseingang Bad Bodendorf folgen. Im Ort biegen Sie an der ersten größeren Abzweigung links ab in die Bäderstraße und folgen ihr bis zu einem Parkplatz auf der rechten Seite. Von dort aus laufen Sie zurück Richtung Eiscafé und biegen links ab in den Feldweg, wo unsere Station schon auf Sie auf der Wiese wartet. Alternativ können Sie auch über die A 61 kommen und dann auch der Beschreibung von oben folgen.

Quelle: googlemaps

Georadar:

Einführung:
Das Georadar ist eine geophysikalische Untersuchungsmethode zur Erkundung des flacheren Untergrundes. Man nutzt hochfrequente elektromagnetische Impulse, die in den Boden geschickt werden, um mittels deren (Teil-) Reflektion Bodenschichten und andere Unebenheiten im Boden zu detektieren. Unterschiedliche Sedimente/Gesteine und Störfaktoren im Boden haben verschiedene elektromagnetische Eigenschaften. An den Grenzflächen zwischen zwei unterschiedlichen Materialien erfolgt die o.g. Teilreflektion des ausgesendeten Signals (Abb. 1). Mithilfe dieser Aufzeichnungen (Radargrammen, Abb. 2), bei denen die Amplitude des reflektierten Signals als Funktion der Zeit aufgezeichnet wird, bekommt man ein Abbild des Untergrundes. Damit man ein vollständiges Profil vom Untergrund erhält, sind zahlreiche Messungen entlang einer Profilstrecke notwendig. Die maximale Erkundungstiefe liegt bei etwa 60 m, welche von der Antennenfrequenz und der Untergrundbeschaffenheit abhängt. Die Anwendungsgebiete sind vor allem die Ortung von Rohrleitungen, Kabeln, und anthropogenen Einlagerungen (z.B. Fässer, Fundamente), der Hohlraumnachweis, die Detektion von Lücken und Schwächen in Straßen, Dämmen und Fundamenten, die Untersuchung von Sediment- und Bodenstrukturen sowie der Nachweis von Störungen, Klüften und Rissen im Festgestein. Außerdem ist die Ermittlung der Lage der Grundwasseroberfläche in Kies, Sand und Sandstein ein weiterer Anwendungsbereich, auch genutzt in der Hydrogeologie. Da die Methode recht kostengünstig, logistisch einfach durchzuführen und zerstörungsfrei ist, kann sie so vielfältig eingesetzt werden.


Abbildung 1: Schemazeichnung zur Funktionsweise eines Georadars. Man sieht wie die elekromagentischen Impulse an Materialgrenzen (Grundwasseroberfläche, Schichtgrenze) gebrochen werden. Auch die auf dem Bild eingezeichneten Elemente wie Fundamente, Müll, Rohre oder Kontaminationen können sichtbar gemacht werden. Das Radardiagramm oben links zeigt Laufzeitkurven für eine reflektierte und für zwei diffraktierte (gebrochene) Wellen. Quelle: Knödel et al., 1997

Abbildung 2: Zwei Beispiele eines Radargramms, die in einer Kirche aufgenommen wurden, um mögliche Inhomogenitäten im Untergrund zu detektieren. Gekennzeichnet sind die Interpretationen der Laufzeitkurven. Besonders starke Reflektionen erhält man, wenn der Gegenstand eine deutlich andere Leitfähigkeit, magnetische Permitivität und Dielektrizität als die Umgebung hat (Erklärung dieser Materialkonstanten unter Verfahren). In diesem Fall wird von einer Steinplatte über dem Hohlraum ausgegangen, die so deutliche Kurven verursacht. Quelle: http://www.b-f-k.de/webpub01/cnt/winking.htm

Verfahren (physikalischer Hintergrund):

Das Verfahren des Georadars macht sich einige Materialeigenschaften vom Untergrund sowie von allen sonstigen Materialien zu nutze. Mit dem Georadar werden die elektrische Leitfähigkeit und die relative Dielektrizitätskonstante des Bodens bestimmt. Diese hängt stark von der Durchfeuchtung des Untergrundes ab. Die elektrische Leitfähigkeit gibt an, wie gut oder schlecht ein Material Strom leitet. Wenn an der Oberfläche gut leitende Substanzen vorkommen wie z.B. feuchte Tone, Wässer mit Salzfracht oder eisenhaltige Schlacken, kann man das Verfahren nicht nutzen. Besonders große Eindringtiefen können erzielt werden, wenn der Untergrund nur schlecht leitet, was unter anderem bei Eis, kristallinem Gestein (z.B. Granit) oder Salzlagerstätten der Fall ist.

Man kann das Georadar mit unterschiedlichen Frequenzen anwenden. Je höher die benutzte Frequenz, desto genauer die Auflösung, aber geringer die Eindringtiefe. Je nach Bedarf können dann unterschiedliche Antennen verwendet werden, die jeweils verschiedene Frequenzen aussenden.

Bei einer Georadarmessung werden die Laufzeit und die Stärke des reflektierten Radarsignals aufgenommen. Dies wird dann in einem Radargramm als Laufzeitkurve dargestellt. Auf der y-Achse ist die Zeit, auf der x-Achse die untersuchte Strecke aufgetragen. Die Farben geben die Amplitudenstärke und Polarität wieder. Um die Tiefe des reflektierenden Objekts berechnen zu können, muss die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen im Untergrund bekannt oder gemessen worden sein. Bei größerem Unterschied der Dielektrizitätskonstante und elektrischen Leitfähigkeit des Gesteins zum Reflektor, erscheint das Radargramm mit kräftigeren Farben und Kontrasten. Wie so ein Gerät in der Realität aussieht, sehen Sie in Abbildung 3.

Es gibt unterschiedliche Methoden des Georadars. Im Folgenden werden die bekanntesten kurz beschrieben. Wir zeigen Ihnen die Pulsradar-Methode mit einem Gerät der Firma Malå Geoscience AB, welches eine Frequenz von 25 bis 200 Megahertz abdeckt.

1) Pulsradar: Hierbei handelt es sich um ein einfach bildgebendes Primärradar, welches ausschließlich das passiv reflektierte Echo des Zieles auswertet. Das Pulsradar sendet definierte Impulse im Mikrosekundenbereich aus und wartet auf die reflektierten Echos. Diese werden detektiert und können ausgewertet werden. Das Pulsradar gibt Aufschluss über die Entfernung und die ungefähre Größe von Objekten.

2) Stepped-Frequency-Radar: Im Gegensatz zum Pulsradar arbeitet dieses System mit Signalen konstanter Amplitude. Während die Pulsradarsysteme zur Entfernungsauflösung notwendige Frequenzbandbreite über das Pulsspektrum aufbringen, wird beim SFR-Verfahren die Bandbreite durch Veränderung der Radarfrequenz sequentiell aufgebaut. Dieses Verfahren bietet im Vergleich zum Pulsradar die Möglichkeit, durch die kontrollierte Bandbreite der Messfrequenz eine bessere Auflösung und Erkundungstiefe zu erzielen. Da die Leistung des Senders nur sehr gering sein muss, ist dieses Verfahren bei nötiger Rücksichtnahme auf andere technische Anlagen sehr empfehlenswert.

3) Interferometrie Radar: Hierbei wird das Testgebiet aus mindestens zwei leicht unterschiedlichen Sensorpositionen aufgenommen. Dadurch enthalten die gewonnenen Daten nicht nur Informationen über die Rückstreuintensität, sondern auch eine Phaseninformation. Dieses Verfahren kann zur Erstellung von digitalen Höhenmodellen, zur Detektion beweglicher Streuobjekten, oder zur Lokalisation von Veränderungen im Zentimeterbereich genutzt werden.

4) FMCW Radar =modelliertes Dauerstrichradar: Die Sender dieses Radarsystems arbeitet im Gegensatz zum Impulsradar dauerhaft und mit variierender Frequenz. Diese Geräte werden auch als Sekundärradare bezeichnet. Durch die Arbeitsweise kann die Differenzgeschwindigkeit zwischen Sender und Objekt gemessen werden, aber auch die absolute Entfernung lässt sich ermitteln.


Abbildung 3: Durchführung einer Georadar-Untersuchung (Quelle:http://www.uibk.ac.at/klassische-archaeologie/Grabungen/archaeologische-forschungen-nussdorf-debant/georadar/georadar04.JPG

Quellen:

Knödel, Klaus, 1997: Geophysik: Handbuch zur Erkundung des Untergrundes von Deponien und Altlasten / BGR, Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe; 3.: S. 1063, Berlin : Springer

http://www.bgr.bund.de/DE/Themen/GG_Geophysik/Methoden/Georadar/methode_...

http://www.bgr.bund.de/DE/Themen/GG_Geophysik/Aerogeophysik/Aeroradar/sf...

http://www.dr-tillmanns-und-partner.de/aktuell03.htm

http://www.geodz.com/deu/d/Radar-Interferometrie

http://www.radartutorial.eu/02.basics/rp07.de.html

http://www.uni-hamburg.de/geol_pal/georadar.html

http://de.wikipedia.org/wiki/Radar