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地下的祕密無所遁形-看透世面的透地雷達

Ground_Penetrating_Radar_in_use

從廢水暗管到侵佔國有地的地下貨櫃,最近台灣似乎很常發現一些秘密地底人造結構。有沒有什麼科學儀器能協助偵測類似的地下設施呢?其中一種廣泛被應用在考古發掘、工程監測的設備-透地雷達(Ground Penetrating Radar),能看穿地底結構,究竟它是如何偵測地下看不到的結構呢?

其實透地雷達的概念跟在海中使用的聲納很像;因為光線被海水吸收了,無法達到海底再反射回來被我們看見,於是我們改打聲波下去,再用儀器接收反射回來的聲波,推測海底地形。那對地層呢?除了運用聲波的原理-震動來探測之外,還可以使用電磁波作為偵測的訊號。

不同材質對電磁波的通過率不同(介電常數及導電率不同),若勉強以光學譬喻,像是各式各樣透明程度、折射程度不同的玻璃。如同聲納一樣,只要能測到訊號跑的時間差,就能往回推結構。所以透地雷達有相距的發射器(黑)和接收器(藍):如下圖的上半部是電磁波被反射的路徑,呈現在訊號螢幕上就會如圖中的下半部。只要發現不尋常訊號,就能偵測到管線。

透地雷達示意圖

透地雷達示意圖

透地雷達偵測圖[1]

嚴格來說,透地雷達是用電壓為幾百伏特的發射線圈,產生頻率範圍在1MHz-2GHz且歷時為幾十億分之一秒的高頻脈電磁波(亦稱為雷達波),穿透地層或混凝土結構物,並利用雷達波在不同介電性質的界面產生的反射訊號,經由高靈敏度之接收天線接收反射訊號,最後由軟體處理與分析訊號,就能推敲出待測物的剖面狀態。[2]

透地雷達在眾多地理探測方法中,解析度很高,但是能探測的深度比較淺,約30公尺內,也不適合在潮濕的土壤上使用,因為電磁波強度會很快消退。不過這個方法非常輕便,也不需要破壞地層結構(開挖或是製造一個很大的震波)。簡而言之,就是在深度30公尺內找地底下有什麼東西,還可以即時輸出,看準之後立馬開挖。(當然需要相關軟體轉換數據、消除雜訊及經驗判讀)

除了像是地基、地下管線、隧道檢測等工程建設上已經廣泛使用,一些考古發現也有用透地雷達幫忙。

透地雷達貝冢露頭[3]

同時也是檢調單位的好幫手。

蘋果日報

蘋果日報2013年12月11日報導<追電鍍毒水 彰檢漏夜查暗管開挖>

更多應用

從1980年代說起,學者開始用透地雷達來探測土壤及土層調查,在Daniels et al. (1988) 的研究中提到電磁波在土層的衰減與土壤本身的導電度有相當的關係。 Davis & Annan (1989) 則測出不同物質的電性,如介電常數、導電度、衰減度等性質。1990年以後透地雷達的研究更加蓬勃發展,如地下管線與水槽的辨析(Zeng and McMechan, 1996” Hermance 2001),應用透地雷達偵測岩體中裂縫的回波(Tetsuma Toshioka, Tsuneo Tsuchida and Katsuo Sasahara, 1995),油汙、農藥等稠密非水相液體(DNAPL)汙染之追蹤定位(Yoder et al., 2001” Carcione et al. , 2000” Jordan et al. , 2004),以及考古調查(da Silva Cezar et al. , 2001; Whiting et al. , 2001)等都展現了透地雷達未來發展的各種可能性。-引自師大地球科學系林俊宏2006年之學位論文<透地雷達數據之2D小波圖形化重構濾波> 

參考資料:

關於作者

PanSci實習編輯。 一顆在各個學科間漂流的腦袋~