METODE GROUND PENETRATING RADAR
Metode “GPR” dikembangkan sebagai salah satu alat bantu untuk meneliti obyek-obyek di bawah permukaan yang bersifat dangkal dan rinci jika menggunakan frekuensi rendah, dan obyek-obyek pada kedalaman yang besar bila menggunakan frekuensi tinggi. Metode ini memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan metode-metode lain dalam hal keakuratannya, selain itu geophone dapat dikontakkan langsung ke dalam tanah (ground-based). GPR dapat juga digunakan untuk berbagai keperluan seperti penelitian aquiver air tanah, fosil arkeologi, eskplorasi bahan-bahan mineral, pipa dan utilitas bawah permukaan lainnya. Dengan demikian disadari pentingnya data-data tentang obyek-obyek bawah permukaan untuk menunjang pembangunan infrastruktur terutama di kota-kota besar, maka metode GPR merupakan salah satu bentuk yang paling tepat.
1. Prinsip Dasar dan Operasi Ground Penetrating Radar
Prinsip-prinsip dasar Ground Penetrating Radar telah lama dikenal, sejak diperkenalkannya radar untuk penelitian ilmiah pada dekade 1960-an dan menjelang perang dunia II. Prinsip penggunaan metode ini tidak jauh berbeda dengan metode seismik pantul, seperti identifikasi fasies dan sekuen lapisan bawah permukaan (Heteren et all, 1998 dalam K. Budiono et all, 2010).
Sistem GPR terdiri atas pengirim (Transmitter), yaitu antena yang terhubung ke sumber sinyal (generator sinyal) dengan adanya pengaturan timing circuit, dan bagian penerima (Receiver), yaitu antena yang terhubung ke LNA dan ADC yang kemudian terhubung ke unit pengolahan (data processing) serta display sebagai tampilan outputnya.
Sinyal radar ditransmisikan sebagai pulsa-pulsa yang berfrekuensi tinggi 500 MHz, umumnya antara 900 MHz sampai 1 GHz. Teknik penggunaan metode GPR (gambar 1) adalah sistem Electromagnetic Subsurface Proiling (ESP), dengan cara memanfaatkan pengembalian gelombang elektromagnetik yang dipancarkan melalui permukaan tanah dengan perantaraan antena. Pemancaran dan pengembalian gelombang elektromagnetik berlangsung cepat sekali yaitu dalam satuan waktu nanosecond (Allen, 1979 dalam K. Budiono et all, 2010).
Receiver diatur untuk dapat melakukan scan secara normal mencapai 32 hingga 512 scan perdetik. Setiap hasil scan akan ditampilkan dalam layar monitor sebagai fungsi waktu two-way travel time, yaitu waktu yang diperlukan oleh sinyal untuk menempuh jarak dari transmitter menuju target dan dipantulkan kembali menuju receiver. Tampilan ini disebut radargram analog dengan seismogram pada penyelidikan menggunakan metode seismik.
Gambar 2. Blok Diagram Sistem GPR
Berdasarkan blok diagram pada gambar 2, masing-masing blok mempunyai fungsi yang cukup penting dan saling ketergantungan. Hal ini dikarenakan GPR merupakan suatu sistem mulai dari penghasilan sinyal pada generator sinyal lalu melewati blok-blok
yang ada kemudian sampai pada blok display dimana kita dapat melihat bentuk dan kedalaman obyek yang dideteksi. Namun dalam hal ini yang memegang peranan sangat penting karena menunjukkan unjuk kerja dari sitem GPR itu sendiri. Adapun faktor yang berpengaruh dalam menentukan tipe antena yang digunakan, sinyal yang ditransmisikan dan metode pengolahan sinyal yaitu :
a) Jenis obyek yang akan dideteksi b) Kedalaman obyek
c) Karakteristik elektrik medium tanah atau properti elektrik
Dari proses pendeteksian seperti di atas, maka akan didapatkan citra dari letak dan bentuk obyek yang terletak di bawah tanah atau dipermukaan tanah. Untuk menghasilkan pendeteksian yang baik, suatu sistem GPR harus memenuhi empat persyaratan berikut :
a) Kopling radiasi yang efisien ke dalam tanah
b) Penetrasi gelombang elektromagnetik yang efisien
c) Menghasilkan sinyal dengan amplitudo yang besar dari obyek yang dideteksi
d) Bandwith yang cukup untuk menghasilkan resolusi yang baik.
Gambar 3 menunjukkan peralatan yang umum digunakan dalam penyelidikan tentang bawah permukaan menggunakan GPR (A,) potongan melintang target yang dilalui sinyal (B), tampilan diagram yang diperoleh dari penyelidikan (C).
2. Gelombang Elektromagnetik
Penggunaan gelombang elektromagnetik dalam Ground Penetrating Radar didasarkan atas persamaan maxwell yang merupakan rumusan matematis untuk hukum-hukum alam yang melandasi semua fenomena elektromagnetik. Perumusan tersebut dirumuskan dalam persamaan sebagai berikut :
Masing-masing parameter memiliki hubungan dan , dimana:
E = kuat medan listrik H = fluks medan magnet B = permeabilitas magnetik J = rapat arus listrik
= dielektrik = konduktivitas = tahanan jenis
Dari persamaan Maxwell di atas dapat diperoleh nilai kecepatan gelombang elektromagnetik pada berbagai medium, kecepatan ini bergantung kepada kecepatan cahaya ( ), konstanta dielektrik ( ) dan permeabilitas magnetik ( =1 untuk material non magnetik). Persamaan kecepatan gelombang elektromagnetik dalam suatu medium adalah :
Dimana :
c = kecepatan cahaya dalam ruang hampa ( ⁄ ) = konstanta dielektrik relatif
= permeabilitas magnetik
P = loss factor, dimana ⁄ , adalah konduktivitas adalah frekuensi
= permitifitas dielektrik
= frekuensi gelombang elektromagnetik = permitifitas ruang bebas (8,845 x 10-12 F/m)
Pada material dengan loss factor yang rendah sehingga P = 0, maka kecepatan gelombang dapat diperoleh melalui persamaan :
√
√
loss factor menunjukkan sejumlah energi yang hilang penjalaran (propagasi) muatan atau sinyal karena terjadi penyerapan oleh medium yang dilewati. Energi tersebut sebenarnya tidak lenyap tapi bertransformasi menjadi suatu bentuk yang berbeda, misalnya dari energi elektromagnetik menjadi energi termal (panas) sama halnya seperti yang berlaku pada alat masak oven microwave. Tetapi terkadang energi tersebut tidak berubah bentuk melainkan mengalami multiphating, sehingga tidak dapat lagi diobservasi oleh antena.
3. Koefisien Refleksi
Koefisien refleksi (R) didefinisikan sebagai perbandingan energi yang dipantulkan dan energi yang datang, persamaan untuk koefisien refleksi adalah sebagai berikut :
( )( )
(√ √ ) (√ √ )
Dimana V1 dan V2 berturut-turut adalah kecepatan gelombang pada lapisan 1 dan 2,
sedangkan 1 dan 2 adalah konstanta dielektrik relatif (r) lapisan 2, didefinisikan
elektromagnetik melaluinya, memiliki hubungan erat dengan porositas material tersebut, dan diformulasikan sebagai berikut :
( ) Dimana :
= porositas
= konstanta dielektrik untuk matriks batuan = konstanta dielektrik untuk fluida
Nilai konstanta dielektrik relatif dan kecepatan gelombang elektromagnetik (radio) pada berbagai macam material dapat dilihat pada tabel 1.
Tabel 1. Konstanta dielektrik relatif dan kecepatan gelombang radio pada material alami dan material buatan manusia
4. Skin Depth
Skin depth adalah suatu besaran yang menyatakan kedalaman pada suatu medium homogen dimana amplitudo gelombang elektromagnetik pada kedalaman itu telah berkurang menjadi 1/e (mencapai 37 %) dari amplitudo awalnya di permukaan bumi. Skin depth dirumuskan pada persamaan berikut :
√ Dimana :
= Skin depth (m)
= konstanta dielektrik relatif = konduktiv.itas tanah/relatif
Kedalaman penetrasi dibatasi oleh konduktivitas tanah yang rendah (atau resistivitas yang tinggi). Sebagai contoh, sinyal teratenuasi (penyusutan kuat sinyal) oleh lempung yang rendah konduktivitasnya hingga kedalaman penetrasi dapat hanya mencapai 0,2 meter. Tetapi pada garam, es, atau granit kering, penetrasi dapat mencapai lebih dari 300 meter, hal ini dipengaruhi oleh nilai konstanta dielektrik relatif air yang tinggi ( ) hingga kelembaban tanah dan batuan dapat mempengaruhi respon radar. Lempung yang mengandung lapisan konduktif yang rendah dan tinggi secara berselang-seling akan mempengaruhi kedalaman penetrasi, sehingga dapat dimengerti kenapa interpretasi radar sebelum dan sesudah hujan akan menghasilkan nilai yang berbeda.
Untuk keperluan interpretasi, selain kedalaman diperlukan juga data kecepatan perambatan gelombang elektromagnetik untuk setiap lapisan, geometri perambatan sinyal Ground Penetrating Radar tidak jauh berbeda dengan sesmik pantul yang dapat dilihat pada gambar 4
Waktu yang ditempuh oleh gelombang untuk menjalar sepanjang lintasan SOR atau dari antena pemancar ke penerimaan adalah berjarak 2r, maka :
Waktu tersebut adalah waktu tempuh dua arah gelombang (two way travel time) dan r adalah :
√( )
Dan x atau offset adalah jarak pemancar ke penerima, sehingga waktu tempuh yang diperlukan menjadi :
Sedangkan untuk menghitung t(x) yaitu t terpisah yang terekam pada jarak x dalam jeda tertentu (t) yang disebut normal move out, dapat diperoleh melalui persamaan :
( ) ( )
Dimana :
x = Jarak antena h = kedalaman
v = kecapatan perambatan gelombang t(0) = two way travel time (TWT)
t(x) = TWT yang terekam pada jarak x vrms = kecepatan rata-rata
Sinyal-sinyal yang dipantulkan oleh ketidak kontinuan secara horizontal akan terekam kemudian setelah travel time tertentu, ke dalam reflektor akan diperoleh jika kecepatan perambatan diketahui.
Pengukuran radar merupakan metode yang tepat untuk mendeteksi benda kecil yang dekat dengan permukaan bumi (0,1 hingga 3 meter) pada tanah yang kering dan
hampir homogen dengan resistivitas elektrik yang besar mengingat resolusinya yang tinggi, namun pada daerah dengan kadar kegaraman kecil, dapat mencapai kedalaman 25-30 meter. Untuk penetrasi yang lebih dalam, frekuensi transmisi harus rendah (< 200 MHz), namun akan mengurangi resolusinya, pemilihan frekuensi dipertimbangkan tergantung pada kemungkinan kedalaman penetrasi dan resolusi yang diinginkan, tentunya dengan ikut mempertimbangkan sifat listrik dari daerah penyelidikan dan target penyelidikan.
