120
III.5 Metode
Ground Penetrating Radar
(GPR)
5.1.Pendahuluan
Ground Penetrating Radar (umumnya disebut GPR) adalah teknik elektromagnetik resolusi tinggi. GPR merupakan metode yang valuable digunakan untuk keperluan scientist, penelitian, keteknikan. Aplikasi GPR dapat dipakai untuk studi kontaminasi air bawah tanah, geoteknik, sedimentologi, glasiologi, dan arkeologi.
GPR sendiri sudah diterima baik di disiplin ilmu teknik geofisika. Metode GPR menggunakan gelombang radio untuk membuktikan gambaran bawah permukaan, yaitu dengan mendeteksi material dari sisi dielektriknya. Ketika gelombang menyentuh suatu material dengan konstanta dielektrik yang berbeda-beda, maka akan dipantulkan dan terekam oleh receiver.
GPR menggunakan radar untuk menggambarkan bawah permukaan dengan gelombang berfrekuensi antara 1 - 1000 MHz. Metode ini dapat memperlihatkan kondisi bawah permukaan pada kedalaman yang relatif dangkal yaitu sekitar 1-15 m, tergantung frekuensi yang digunakan. Namun perlu diingat semakin tinggi frekuensi semakin tinggi resolusinya namun semakin dangkal penetrasi kedalamannya. Hal ini disebabkan oleh energi elektromagnetik yang lebih cepat hilang menjadi panas.
Metode ini merupakan metode aktif, mirip dengan metode seismik refleksi karena menggunakan gelombang elektromagnetik dan memanfaatkan sifat radiasinya yang memperlihatkan refleksi. Metode georadar memiliki beberapa macam sistem radar yang telah tersedia, tiap sistem memiliki nilai frekuensi tertentu seperti 12.5, 25, 50, 100, 200, hingga 1000 MHz. Sebaiknya pengukuran GPR ini dilakukan pada daerah yang relatif homogen karena GPR sangat sensitif dengan variasi yang ada. Keunggulan yang dimiliki metoda ini antara lain keakuratan dalam mendeteksi struktur bawah permukaan seperti fracture pada bangunan atau pondasi, menentukan bidang perlapisan batuan lapuk dan kompak, muka air tanah yang dangkal, atau bahkan dapat
121 memperlihatkan benda-benda kecil pada kedalaman dangkal seperti kabel, pipa, dan gua (cave), bahkan ranjau-ranjau bekas perang. Selain itu, metode ini dapat juga menunjukkan lokasi air tanah, anomali bahan tambang, hingga fosil-fosil purbakala.
Pada metode ini, dikenal tiga jenis pengukuran, yaitu refleksi atau CRP (Continuous Reflection Profiling), velocity sounding atau CMP (Common Mid Point) bertujuan untuk memperkirakan kecepatan versus kedalaman, Transiluminasi (GPR tomografi).
5.2.Teori Dasar
GPR menggunakan prinsip gelombang elektromagnetik hamburan untuk menemukan benda di bawah permukaan, yaitu dengan persamaan Maxwell. Transmitter membangkitkan pulsa gelombang EM pada frekuensi tertentu. Antena receiver menerima pulsa pulsa yang tidak terserap oleh bumi tetapi dipantulkan dalam domain waktu tertentu. Receiver telah diatur untuk melakukan scan ditampilkan pada layar monitor (real time) sebagai fungsi waktu two way travel time, yaitu waktu yang dibutuhkan gelombang EM menjalar dari transmitter- target- receiver.
Persamaan Maxwell
Metode GPR didasarkan pada prinsip persamaan maxwell yang merupakan perumusan matematis untuk hukum hukum alam yang mendasari semua fenomena elektromagnet. Persamaan maxwell untuk media isotropik heterogen dirumuskan sebagai berikut :
J t D xH t B xE
0
B
E dengan hubungan122
D =
E
0 rE
, B =
H
0 rH
,J
E
Dimana :E = Kuat Medan Listrik (V/m) H =Kuat Medan Magnet (A/m) J = Rapat arus Listrik (A/m2) D = perpindahan elektrik ( As/m2 )
B = Induksi Magnet ( Vs/m2)
Q = rapat muatan (As/m3)
Konduktivitas
Tahanan Jenis = permisivitas medium (Farad/m)
0 r
0
= permisivitas di ruang vacuum = 8.885 x 10-12 ( Farad/m)r
= permisivitas relatif medium μ = permeabilitas magnet medium
μr = permeabilitas magnet relatif medium,
μ0 = permeabilitas magnet dalam ruang vakum = 4π x 10-7 ( Henry/m)
Besaran yang menggambarkan penjalaran gelombang elektromagnet di dalam medium, yaitu kecepatan fasa v dan koefisien atenuasi α atau jangkauan / skin depth τ ( kedalaman dimana sinyal telah berkurang 1/e ( ca.37 %) dari nilai awal), yaitu : 2 0
1
1
2
r r rc
v
2 0 1 1 2 r r r c
1
123 0.3 m r r c v
(5.1)Hubungan antara konstanta relatif dielektrik dan porositas adalah :
1
m w
(5.2)Koefisien Refleksi
Koefisien refleksi (R) didefinisikan sebagai perbandingan energi yang dipantulkan dengan yang datang, nilainya (R) bergantung pada konstanta dialetrik relatif ε lapisan 1 dan lapisan 2, adalah ukuran kapasitas dari sebuah material dalam hal ini melewatkan muatan saat medan elektromagnetik melewatinya.
2 1 2 12
1
2
1
v
v
R
v
v
(5.3)Secara teknisnya saat pengukuran di lapangan, hasil praktis dari radiasi gelombang elektromagnetik ke bawah permukaan untuk pengukuran GPR ditunjukkan dengan prinsip operasi dasar yang diilustrasikan pada Gambar III.5.1 Gelombang elektromagnetik terpancar dari antena pemancar, bergerak melalui material dengan kecepatan yang ditentukan terutama oleh permitivitas material. Gelombang menyebar keluar dan perjalanan ke bawah hingga menabrak objek yang berbeda sifat kelistrikannya dari medium sekitarnya, tersebar dari obyek, dan kemudian terdeteksi oleh antena penerima
124 Gambar III.5.1 jejak sinyal dari transmitter menbrak material di bawah pemukaan. A adalah direct airwave, G adalah adalah direct ground wave, dan R adalah gelombang refleksi, dan
C adalah gelombang refraksi. (Jol, 2009)
Pada semua kasus, besar nilai R terletak antara -1 dan 1, bagian dari energi yang ditransmisikan sama dengan 1-R. Persamaan diatas diaplikasikan untuk keadaan normal pada permukaan bidang datar. Dengan asumsi tidak ada sinyal yang hilang sehubungan dengan amplitudo sinyal.
Jejak yang terdapat pada rekaman georadar merupakan konvolusi dari koefisien refleksi dan impulse georadar ditunjukkan oleh persamaan :
) t ( n ) t ( F ) t ( r ) t ( A (5.4) dengan: r(t) = koefisien refleksi
A(t) = amplitudo rekaman georadar F(t) = impulse radar
n(t) = noise radar
Tabel III.5.1 Konstanta elektromagnetik
Material K A Udara 1 0 0.3 0 Air murni 80 0.01 0.33 2.10-1 Air laut 80 3.104 0.01 0.1 Pasir kering 4 0.01 0.15 0.01 Pasir basah 25 0.1-1 0.06 0.03 Limestone 6 0.5-2 0.12 0.04 Lempung padat 5-35 0.05 0.06 1-300 Granit 5 0.1-1 0.13 0.01
125
Rock salt 6 0.1-1 0.13 0.01
Slate
5-15 0.03 0.09 1-100
Resolusi
Ketika dua gelombang muncul, spasi waktu mereka akan sangat dekat dan bagaimana cara memisahkan satu dengan yang lain? Jika dua pulsa gelombang berada pada satu watu maka akan menghasilkan amplitude yang besar. Dengan mengkaraketrisasi sebuah pulsa dengan lebar amplitude setengahnya, W, Pemisahan dilakukan dengan membagi pulsa dengan lebar setengahnya. Konsep pemisahan pulsa dibagi dua
a) Resolusi radial (5.5) Keterangan: = Resolusi Radial W = lebar amplitude V= kecepatan b) Resolusi Lateral √ (5.6) Keterangan: = resolusi lateral W= lebar pulsa v = kecepatan r = jarak target
Pada GPR, lebar pulsa, W, mempunyai hubungan berbanding terbalik dengan Bandwidth, B, yang mempunyai hubungan berbanding lurus dengan frekuensi tengah, fc , maka dapat dinyatakan dengan
126
(5.7)
Dan besar frekuensi tengah
(5.8) Ket:
λc = panjang gelombang dari fc
Maka resolusi lateral dapat ditulis
√ (5.9)
Resolusi lateral erat kaitannya dengan Hukum Fresnel, yaitu berhubungan dengan sinyal sinusoidal dimana resolusi lateral adalah radius dari fc
Hamburan Atenuasi
Gelombang Elektromagnetik akan mengalammi atenuasi dengan hamburan atenuasi yang dinyatakan sebagai keofisien atenuasi,αs (Annan, 2005).
Energi elektromagnetik akan menurun sesuai kedalaman dapat , dinyatakan (5.10)
Keterangan:
E = Energi magnetic E0 = Energi magnetic awal
αs = koefisien atenuasi
r = kedalaman
dan kefisien atenuasi adalah
(5.11) Keterangan :
N = Jumlah unit
127 Gambar III.5.2 kurva antara waktu dan kedalaman yang menggambarkan Atenuasi 5.3.Akuisisi Data
Pengambilan data dilakukan pada 30 Mei - 3 Juni 2010 pada enam line yang sama dengan metoda geolistrik dan seismik refraksi, yaitu pada daerah Desa Jati Bungkus, Karang Sambung; Kebumen. Pada kali ini, kami melakukan survey dengan metode Continous Reflecting Profiling (CRP). Prinsip kerja metoda ini adalah menarik alat GPR sepanjang lintasan yang relatif lurus dengan jarak transmitter dan receiver yang sama karena dalam kasus ini alat kami didesain sebagai shielded atau tertutup dan posisinya tetap.
128
Parameter pada pengukuran GPR secara CRP, antara lain:
a) Frekuensi tengah antenna b) Time Window
c) Sampling Interval
d) Jarak pergeseran pengukuran e) Jarak antar antenna
f) Arah Antena
Gambar III.5.3 Ilustrasi skema pengukuran GPR secara CRP (Jol, 2009) Alat – alat yang digunakan adalah sebagai berikut :
129 1. RAMAC X3M/ MALA shielded
Alat ini mengoperasikan antena yang berperan sebagai transmitter dan receiver. Selain itu, alat ini juga dihubungkan dengan peralatan elektronik (Ethernet) seperti laptop sebagai monitor di lapangan.
Gambar III.5.4 RAMAC X3M/ MALA shielded Spesifikasi Teknis:
Power supply: 12V baterai Li-ion pack
Waktu operasi: 10h> dengan baterai standar
Temperatur operasional : -20 ° hingga 50 ° C / 0 ° sampai 120 ° F Lingkungan: IP67
Dimensi: 310 x 180 x 30 mm / 12,2 x 7 x 1,2 di Berat: 1.7 kg / £ 3,7
Komunikasi berkecepatan tinggi (Ethernet) dengan XV Monitor / notebook PC
Auto Stacking untuk kualitas data kecepatan tertinggi dan kinerja optimal Antena: The X3M sepenuhnya didukung berbagai tipe frekuensi shielded antenna (100, 250, 500 & 800 MHz).
2. Antenna
Antena berperan sebagai transmitter dan receiver yang berfungsi membangkitkan dan mengirimkan gelombang elektrmagnetik dan setelah gelombang terkirim melalui medium bawah tanah lalu terpantulkan, gelombang tersebut diterima kembali. Pada observasi ini, antena yang digunakan adalah antena shielded dengan frekuensi 250 MHz. Antena shielded 250 MHz adalah antena yang umum digunakan, umumnya digunakan untuk investigasi yang membutuhkan kedalaman penetrasi dan resolusi menengah.
130 Gambar III.5.5 RAMAC X3M/ MALA shielded
3. Dua buah Connector cable
Kabel ini Berfungsi sebagai medium sinyal Gelombang Elektromagnetik dari transmiter dan receiver ke unit kontrol (laptop) dan juga untuk menyambungkan unit ke power supply (accumulator).
4. Notebook
Notebook ataupun laptop digunakan untuk mengoperasikan ataupun mengatur data akuisisi. Selanjutnya pengolahan data dapat dilakukan di sini pula.
5. GPS
GPS digunakan untuk menentukan posisi serta elevasi tempat pengambilan data.
131 6. Alat ukur panjang
Alat ini digunakan untuk menentukan panjang spasi tiap pengukuran. Pada survey ini kali ini kita menggunakan benang untuk membantu pengukuran spasi, tiap 5 meter.
Gambar III.5.7 Akuisisi Data GPR 5.4.Pengolahan Data
Data hasil akuisisi dismpan dalam bentuk .rd3, yang selanjutnya akan diolah dalam program ReflexW, sehingga hasil akuisisi dapat diinterpretasikan gambaran bawah permukaannya. Tampilan menubar pada ReflexW
132 Berikut adalah flowchart dari pengolahan data GPR dengan ReflexW
Gambar III.5.8 Flowchart prosessing data GPR dengan ReflexW
Start (Input rawdata) (input rawdata) Dewow Static Correction Gain Background Removal Bandpass Frequency 3D Topography Correction F-K Filter Finish (Output) (output)
133 Berikut adalah langkah-langkah pengolahan data GPR:
Membuat Project
Membuat folder penyimpanan hasil tiap langkah dalam menubar Project
Gambar III.5.9 Menu Project Mengimport Rawdata
Mengimport rawdata format rd.3 yang akan diolah pada menubar Modules
Gambar III.5.10 Mengimport rawdata dengan format rd.3
Buat project baru di folder tertentu
134 Gambar III.5.11 Parameter Data
Lalu akan keluar rawdata yang akan diproses
Gambar III.5.12 penampang rawdata
Parameter yang penampang yang akan tersisi sendiri setelah memasukan rawdata Jenis spesisfikasi nama file nama file
135 Proses Dewow
Pada menu pilih processing – 1D Filter – kemudian pilih substract mean (dewow). Proses Dewow berfungsi untuk menghilangkan komponen VLF (Very Low Frequency). Pada area pengukuran yang dekat dengan transmitter kan mengandung, energi dengan frekuensi rendah yang berasosiasi dengan area induktif dan elekstrotatik. VLF ini sering menghasilkan komponen variasi waktu yang melambat dan terekam pada data. Energi ini menyebabkan naik atau
turunnya frekuensi pada level base yang terekam oleh sinyal (noise). Efek ini
dikenal sebagai baseline "wow" pada pembacaan GPR. Sinyal wow dapat ditekan dengan mengaplikasikan high-loss temporal filter pada sinyal yang terdeteksi,
proses ini dikenal sebagai dewow. Karena proses Dewow merupakan langkah
processing pertama maka tandai Processing Label dengan angka nol (0).
Gambar III.5.13 Window 1-D Filter
Substract-mean (dewow)
Namakan Processing Label Gambaran trace ke-2 sebagai salah satu contoh unutk dihilangkan frekuensi rendahnya
136 Maka setelah diproses hasilnya menjadi seperti di bawah ini
Gambar III.5.14 Penampang setelah dilakukan proses Dewow Proses Static Correction
Pada menu pilih processing – static correction/muting – static correction. Proses Static Correction dilakukan agar letak data terdapat pada ketinggian yang seharusnya, yaitu menempatkan To (z=0) di permulaaan sinyal sehingga first arrival berada di To(z=0), kita dapat mempergunakan wigglewindow untuk memperbaiki first arrival untuk ditempatkan di To yang seharusnya.
Gambar III.5.15 Window Static Correction
Hasil pick dari penampang hasil Dewow wiggle Window
137 Gambar III.5.16 Wiggle Window pada menubar view
Maka hasil yang akan keluar setelah proses Static Correction
Gambar III.5.17 Penampang setelah proses Static Correction Proses Gain
Pilih menu processing – gain – manual gain (y) . Proses Gain dilakukan untuk memperkuat sinyal yang melemah akibat atenuasi. Oleh karena itu, kita memplot bagian trace yang ingin diperbesar energinya dengan bentuk logaritma natural, sesuai dengan persamaan.
pick pada Wiggle Window
138 Gambar III.5.18 Window pick Manual Gain -Y
Gambar III.5.19 Window Manual Gain-Y
Pick nilai Gain yang akan diperkuat secara manual
berbentuk logaritma natural
Nilai hasil pick yang ditabelkan Sebelum (energi yang melemah akibat atenuasi) Sesudah ( proses Gain berguna untuk memperbesar energi)
139 Maka hasil dari proses Gain adalah di bawah ini
Gambar III.5.20 penampang setelah proses Gain Proses Background Removal
Pilih menubar 2D-Filter-Background Removal. Proses Background Removal berguna untuk menghilangkan gangguan arah mendatar
140 maka hasil dari proses Background Removal adalah
Gambar III.5.22 Penampang setelah proses Background Removal Proses Bandpassfrequency
Pilih menubar 1D-Filter – Bandpassfrequency. Proses Bandpass frequency adalah pengaturan toleransi frekuensi yang digunakan. Nilai di bawah lower cutoff adalah batas nilai frekuensi rendah yang tidak dipakai, nilai antara lower cutoff dan lower plateu adalah nilai frekuensi yang diperlemah, nilai antara lower plateu samapi upper plateu adlah frekuensi yang digunakan, nilai antara upper plateu sampai upper cutoff adalah nilai frekuensi yang diperlemah, sedangkan nilai frekuensi di atas upper plateu tidak digunakan.
Gambar III.5.23 Window 1D-Filter- bandpassfrequency
Pick nilai cutoff dan plateau
141 Maka hasil dari proses bandpassfrequency
Gambar III.5.24 Penampang setelah proses bandpassfrequency
Proses Correct 3D Topography
Proses Correct Topography adalah memasukan data topografi dengan format jarak melintang (x), tebal (y), dan nilai elevasi (z).
Gambar III.5.25 Window memilih file topografi dengan format (top*.*)
Nama file berbentuk top*.*
142 Gambar III.5.26 Format penulisan data topografi pada file dengan format .txt
Gambar III.5.27 Window Correct 3D topography
Lebar (y)
Jarak (x)
143 Maka hasil penampangnya adalah
Gambar III.5.28 penampang setelah proses correct 3D- Topography dilakukan Proses F-K filter
Pilih processing – fk filter/fk spectrum – generate. Setelah digenerate, pilih zona spectrum dengan mengklik zona yang akan digunakan. Filter ini digunakan untuk membatasi zona spectrum yang digunakan.
144 Pilih zona spectrum pada daerah bagian tengah
Gambar III.5.30 Window Zona Spektrum Nilai spectrum akan tercantum di tabel secara otomatis
145 Maka hasil akhir dari prosesnya adalah
Gambar III.5.32 Penampang setelah Proses FK-Filter
5.5.Pemodelan dan Interpretasi Line1
146 Pada jarak 0-80 meter dapat dilihat topografi yang cendung naik memperlihatkan nilai kontras warna yang besar pada kedalaman 5 meter. Kontras warna yang besar menandakan amplitude tinggi yang biasanya merupakan cirri dari lapisan batuan yang kompak. Pada jarak 100-124 meter topografi menurun curam lalu naik lagi hingga jarak 150 meter, pada ketebalan kira-kira 1 meter pertama memperlihatkan kontras warna yang besar, namun makin ke dalam kontras warna makin kecil. Kontras warna kecil menandakan lapisan batuan yang lapuk atau nilai amplitudenya kecil.
Line 2
Pada kedalaman 2-4 meter pada jarak lintasan 0-80 meter memperlihatkan kontras warna yang besar menandakan amplitude besar yaitu penciri lapisan batuan yang cukup kompak. Dan pada kedalaman 2.5-5.5 meter. Pada penampang jarak antara 80-150 meter memperlihatkan kontras warna yang rendah mencirikan lapisan batuan yang lapuk.
147 Line 3
Secara keseluruhan line 3 memperlihatkan kontras warna yang kecil yaitu memiliki amplitude kecil sepanjang lintasan. Pada line 3 memiliki topografi yang cenderung naik ini mengandung lapisan batuan yang lapuk
Line 4 terbagi dua pengukuran, disebabkan lingkungan yang tidak memungkinkan untuk dilakukan akuisisi, yaitu menyebrangi sungai.
148 Line4a
Pada line 4a area pengukuran didominasi dengan kontras warna kecil, namun pada beberapa kedalaman kontras warna agak besar . Pada line 4a ini lapisan didominasi dengan lapisan batuan lapuk
Line 4b
Pada kedalaman 0.5 meter memperlihatkan kontras warna yang besar, yang menandakan lapisan batuan yang kompak, dan semakin ke dalam kontras warna makin kecil yang menandakan lapisan batuan yang lapuk.
149 Line 5
Pada penampang dengan jarak 0-20 meter memperlihatkan kontras warna yang kecil yaitu penciri lapisan batuan lapuk, pada 20-26 meter lapisan kontras warna besar, yaitu penciri batuan kompak. Pada jarak 26-50 meter kontras warna kecil, yaitu penciri lapisan batuan lapuk, sedangkan pada 50-90 meter
150 hasil data tidak terlihat jelas ditandai dengan ketidakkonsistenan kontras warna. Pada 90-150 meter kontras warna cukup besar, yaitu mencirikan batuan kompak.
LineE
Pada Line E, kedalaman 0-4 meter memperlihatkan kontras warna yang cukup besar yaitu mencirikan lapisan batuan yang kompak, sedangkan pada kedalamanl 4-5 meter , kontras warna kecil, yaitu penciri lapisan batuan lapuk.
