Bodenradar

Sagt doch ein Doktor der Geologie der Uni Hannover: „Mit dem Georadar, einem jungen Verfahren, das nur eine Handvoll Spezialisten in Europa in dieser Form beherrschen, ist es jetzt möglich, dreidimensionale Einblicke in den Untergrund zu nehmen und jede Art von Struktur oder Veränderung bis in einige Dutzend Meter Tiefe schnell und ohne Grabungen festzustellen.“

Schade, daß man solchen Dummköpfen unsere Kinder zur Ausbildung anvertraut.

Denn es ist wirklich nicht kompliziert, es zu ‚beherrschen‘, selbst die Konstruktion ist nicht wirklich eine Großtat.

Was ist also ein Bodenradar und was unterscheidet es z.B. vom Magnetometer?

Ein Magnetometer mißt auf der Erdoberfläche nur die magnetischen Feldänderungen, die durch unterirdische Materialien verursacht werden. Es ist also, wie auch die Widerstandsmessung, ‚eigentlich‘ ein zweidimensionales Meßverfahren, auch wenn die Werbeprospekte sehr oft farbige, dreidimensionale Bildchen zeigen: Hier wird die Stärke der Magnetfeldänderung, die ja farblich bereits angedeutet wird,  in der dritten Dimension als Höhe gezeichnet, was natürlich mit dem wahren Sachverhalt im Boden nichts zu tun hat. Sieht aber schön aus.

Ein Bodenradar besteht aus ein oder zwei Antennen, die hochfrequente, kurze Impulse aussenden und sie anschließend wieder empfangen, nachdem sie von irgend etwas im Untergrund reflektiert wurden. Wenn man die Zeit zwischen dem Senden und dem Empfang misst und die Geschwindigkeit des Impulses kennt, dann kann man die Entfernungen zu den Reflektionsstellen berechnen.

Alles ganz einfach! Wie der Abstandswarner beim Auto.  Nur dummerweise ist die Geschwindigkeit der Impulse sehr schnell und damit die Zeit sehr kurz, die man messen möchte. Außerdem ist die Geschwindigkeit im Boden auch nicht so richtig bekannt.

Aber: Im Gegensatz zum Magnetometer bekommt man eine wirklich dreidimensionale Struktur des Untergrundes angezeigt. Natürlich nicht in Bezug auf Magnetismus, der reflektiert nicht, sondern in Bezug auf Materialänderungen im Boden, denn an diesen Änderungszonen werden die ausgesandten Impulse reflektiert.

Hochfrequenz (elektromagnetische Welle) eilt mit Lichtgeschwindigkeit von dannen (1 Milliarde Kilometer pro Stunde). Aber nur im Vakuum! Denn es gibt noch sogenannte Feldkonstanten der elektrischen und magnetischen Welle, die sich abhängig vom Medium, in dem sich die Welle ausbreitet, ändern. Das ist dumm, trifft es uns doch besonders hart, da wir ja durch den Erdboden wollen (Aber das kommt später).

(Fast) jeder weiss: Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist 299.792.458 Meter pro Sekunde. Etwas unhandlich diese Zahl! Umgerechnet sind es 3,33 Nansosekunden pro Meter. Wenn ich also meine Sende- und Empfangsantenne 1 Meter voneinander entfernt habe, dann braucht der Impuls 3,33 Nanosekunden, bis er empfangen wird.

Das wollen wir eigentlich nicht direkt, wir wollen ja reflektierte Impulse empfangen … und möglichst aus dem Erdboden. Die brauchen etwas länger, bis sie ankommen.

Nehmen wir mal an, dass in zwei Meter Entfernung von der Empfangs- und Sendeantenne ein Reflektor steht (Echowand). Der Impuls braucht nun zwei Meter bis zum Reflektor, und das reflektierte Echo weitere zwei weiteren Meter zurück zum Empfänger, also insgesamt 3,33 * 4 = 13,32  Nansosekunden. Wir messen diese Zeit, teilen sie durch zwei (weil der Impuls ja hin- und zurück geht) und erhalten mit 6,66 Nanosekunden, umgerechnet auf die Entfernung mit der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum,  genau zwei Meter Abstand (Wer hätte das gedacht!). Steht der Reflektor im Untergrund, dann ist die Geschwindigkeit wesentlich langsamer und obige Rechnung muss leider gewaltig korrigiert werden.

Bleibt jetzt nur die einfache Frage: Was reflektiert denn überhaupt im Untergrund? Hierzu gibts die einfache Antwort: Alles, was Materialeigenschaftsänderungen beinhaltet, hauptsächlich bezogen auf die Dielektrizität. Wasser hat eine relative Dielektrizitätszahl von 80, Kalkstein kann so ca. 5 bis 8 haben. Luft hat bekanntlich 1. Stößt also eine Kalksteinschicht (oder Luft)  auf Wasser, dann reflektiert es gewaltig und dies könnte ein Hohlraum wie z.B. ein Erdstall sein … oder auch nur eine wasserführende Schicht … oder auch nur ein kleiner Spalt … oder Lehm der auf Ziegeln liegt …. oder ….oder.

Man braucht einen Sender zum Aussenden von wirklich kurzen Impulsen und einen Empfänger zum Empfangen der Echos und einen Zeitmesser zum Berechnen der Zeit und jemanden, der weiß, was für einen Erdboden wir unter uns haben. Dies ergibt also irgendwelche Werte, die man an einen PC ausgibt, der nun nur die Aufgabe hat, die Impulsgröße und deren Zeitverlauf möglichst farbig aufzuzeichnen. Mit 3D wird es dann ein wenig aufwendiger (für den Bediener, nicht für die Technik), aber das ist erst der übernächste Schritt.

Fragen, die sich stellen:

Wie tief will man Impulse senden? Welche Leistung ist dazu notwendig? Welche Geschwindigkeiten sind zu erwarten? und damit folgt: Welchen Zeitmessbereich muss ich abdecken? Aber auch: Welche Auflösung erhält man? Welche Stabilität und Empfindlichkeit ist notwendig? Welche Antennen braucht man?. Welche Frequenzen? Welche Breite und Flankensteilheit des Impulses? Welches Format hat die Wert-Ausgabe für die weitere Verarbeitung? Und vieles mehr…

Das Landesamt arbeitet z.B. im Bereich von 200 bis 400 MHz. Das von mir genutzt Gerät ebenfalls. Lediglich habe ich bisher offene Antennen und das Landesamt hat einen Wagen, in dem die Antennen nach oben abgedeckt sind.

Eigentlich ist jetzt alles beisammen. Unser Sender sendet, unser Empfänger empfängt und jedesmal erhalten wir einen sogenannten A-Scan (Dies ist eine „Tiefenschau“ genau an dieser Stelle, also alle Reflexionen nach einem Sendeimpuls), wir laufen einmal über das Feld von Punkt A nach Punkt B und erhalten so alle ca. 60 Sekunden  ein komplettes Radargram (640 A-Scans = vertikale Scheibe = B-Scan) von unserem Gerät. Wenn wir das auf dem Bildschirm etwas einfärben, dann sieht es schon wesentlich verkaufsfördernder aus. Wenn wir auf dem Acker hin- und versetzt zurück gehen und solche Radargramme aufnehmen, diese dann auf horizontale Scheiben umrechnen (C-Scan) und darstellen, dann sind wir endlich bei den Bildchen, die in den Werbeprospekten gerne großformatig angegeben werden.

Mein Bodenradar befindet sich, wie erwähnt, bereits in Umbau, da die offenen Dipolantennen (gut geeignet die für die Prospektion im Gebirge und von mir verwendet zur Entdeckung von während der Eiszeit durch Moränen zugeschüttete Höhleneingänge, oder verschüttete  Bergwerksstollen und Erdställe) durch Bow-Tie-Antennen ersetzt, nach oben abgeschirmt und in einen fahrbaren Untersatz gebaut werden, der einen gleichmäßigen Bodenabstand gewährleistet.

Im folgenden noch zwei Aufnahmen, einmal auf der Burg  Roggenstein, wo sich an einer ganz bestimmten Stelle ein Hohlraum knapp unter der Erdoberfläche befindet und ein unterirdischer Schacht im Gebirge, der an der Oberfläche nicht zu sehen ist, da im oberen Teil  verschüttet.

Weiterentwicklung abgeschlossen, Gerät verkauft!