Methode - Georadar

Geophysikalische Messmethoden erkunden den Untergrund zerstörungsfrei durch Messung physikalischer Größen von der Oberfläche aus. Die Erkundung mit der Methode des Georadars beruht auf der Reflexion elektromagnetischer Wellen an Störkörpern und Grenzflächen im Untergrund. Von einer Sendeantenne an der Oberfläche werden Radarimpulse abgestrahlt, die im Untergrund an Störkörpern oder Schichtgrenzen reflektiert und mit einer Empfangsantenne wieder aufgenommen werden (Bild 1 oben). Dabei werden Laufzeit und Amplitude der zurückkommenden Signale gemessen. Zu einem Objekt oder einer Struktur im Untergrund kann man über die Laufzeit der reflektierten Signale die Tiefenlage der Objektoberkante bestimmen.
Es können Frequenzen zwischen 10 MHz und 1000 MHz verwendet werden, wobei bei größeren Frequenzen eine höhere Auflösung, jedoch durch verstärkte Absorption im Boden eine niedrigere Eindringtiefe gegeben ist. Die Verwendung niedrigerer Frequenzen erlaubt eine größere Eindringtiefe, die Auflösungsgenauigkeit von Strukturen hingegen reduziert sich.

Die Darstellung der Messdaten erfolgt in sogenannten Radargrammen (Bild 1 Mitte), in denen die reflektierten Signale in Abhängigkeit von der Laufzeit (in Nanosekunden, ns) bzw. der Tiefe (m) auf einem Profilschnitt dargestellt werden. Die Amplitudenstärke wird in einer Graustufen- oder Farbzuordnung wiedergegeben.

Das Reflexionsvermögen eines Störkörpers oder einer Grenzfläche ist abhängig vom Kontrast in der elektrischen Polarisierbarkeit des Materiales zu seiner Umgebung. Die Maßzahl dafür ist die relative Dielektrizitätszahl er. Wasser besitzt die höchste Dielektrizität von er=81, Luft die niedrigste mit er=1. Gesteine haben Dielektrizitäten von er=3-30, abhängig vom Wassergehalt.

Mauern, Steinfundamente, Rohrleitungen oder auch Hohlräume im Untergrund bewirken in der Regel verstärkte Reflexionsamplituden im Vergleich zum umgebenden Bodenmaterial. Stärker durchfeuchtete oder salinare Bodenbereiche verursachen ebenfalls verstärkte Reflexionsamplituden.

Um eine flächendeckende Erkundung mit Georadar durchzuführen, werden parallele Profile gemessen (Bild 3 unten links). Die Radargramme werden anschließend lageorientiert zu einem dreidimensionalen Datensatz zusammengeführt. Dieser Datenblock wird zur Interpretation in horizontalen Scheiben aufgeschnitten und analysiert (sog. Zeitscheiben bzw. Tiefenschnitte; Bild 1 unten rechts). Innerhalb dieser Zeitscheiben wird der Betrag der Reflexionsamplituden aufsummiert. Auf diese Weise kommt man zu einer flächenhaften Darstellung der zuvor linienhaften Radardaten für verschiedene Tiefenlagen.


Bild 1: Prinzip der Messung mit dem Georadar. Oben: Prinzip der Messung. Mitte: Radargramm mit Anomalien. Unten: Flächenhafte Messung mit Beispiel eines Tiefenschnitts, der archäologische Strukturen zeigt.  Blau = erhöhte Reflexionen
Auch beim Georadar geht die Entwicklung hin zu Multikanalsystemen, dem sog. Array-Georadar (Infoblatt...). Unser Georadar-System IDS STREAM-C verfügt über ein Array von 34 Antennen der Messfrequenz 600 MHz, angeordnet in Längs- und Querrichtung in engem Abstand von 5 bzw. 10 cm. Bei der Messung werden auf einer Bahn von einem Meter Breite simultan 32 Radarprofile in Längs- und Querabstrahlrichtung aufgenommen. Die räumliche Auflösung von archäologischen Strukturen ist dadurch weit besser als mit 1-Kanalsystemen.

Auf ebenen Flächen kann das Stream-C im Wagenaufbau verwendet werden. Für unregelmäßigere, landwirtschaftliche Flächen wird die Antenne auf einen Schlitten montiert. Durch die Aufnahme von einen Meter breiten Bahnen ist ein hoher Messfortschritt gegeben.

     

Die Auswertung der enormen Datenmengen (mehrere Gigabyte) kann nur noch weitgehend automatisiert erfolgen. Die Ergebnisse werden als flächige Anomalienbilder ('Zeitscheiben') ausgegeben. Bei Bedarf kann immer auch jedes einzelne Radargramm betrachtet werden. Gegenüber den herkömmlichen Radarsystemen ist eine signifikant höhere räumliche Auflösung von Strukturen gegeben.

Bild 2: Datensatz römisches Gebäude: Zeitscheiben mit sukzessive größerer Tiefe (von links oben nach rechts unten)