Metode Ground Penetrating Radar (GPR) adalah salah satu metode yang digunakan dalam eksplorasi geofisika Metode ini memanfaatkan gelombang radar untuk mendapatkan citra bawah permukaan.
Ground Penetrating Radar (GPR) merupakan metode geofisika yang digunakan pencitraan resolusi tinggi di bawah permukaan dengan menggunakan pula elektromagnetik. Pulsa ini dipancarkan oleh antena pemancar, kemudia diteruskan ke bawah permukaan. Batuan dan lapisan bawah permukaan akan memantulkan dan menghamburkan kembali gelombang ke permukaan. Gelombang yang diterima oleh antena akan diproses menjadi profil penampang bawah permukaan. Gelombang yang digunakan dalam GPR biasanya adalah gelombang frekuensi tinggi dengan rentang 10 MHz – 1000 MHz.
Pantulan kembali gelombang ke permukaan disebabkan oleh adanya perbedaan sifat elektromagnetik atau kontras konstanta dielektrik dan konduktivitas. Masing-masing lapisan memiliki konstanta dielektrik yang berbeda sehingga kecepatan gelombang saat melalui suatu medium juga berbeda
Kedalaman penetrasi yang dicapai oleh gelombang radar tergantung pada besar frekuensi yang digunakan. Frekuensi gelombang yang rendah dapat menembus lebih dalam dibandingkan frekuensi tinggi. Perbedaannya terdapat pada resolusinya. Resolusi frekuensi tinggi lebih baik dibanding resolusi yang dihasilkan frekuensi rendah. Refleksi yang diterima oleh receiver memiliki karakter amplitudo tertentu yang mencerminkan sifat elektromagnetik dari benda di bawah permukaan yang dilalui oleh gelombang ketika dipancarkan. Sifat elektromagnetik material berkaitan erat dengan komposisi mineral dan kandungan air yang dimiliki. Ketika transmisi gelombang radar mengenai suatu benda atau material di bawah permukaan tanah yang memiliki konduktivitas tinggi maka amplitudo gelombang yang terekam di receiver sangat kecil karena gelombang yang ditransmisikan diserap oleh material yang berkonduktivitas tinggi. Oleh sebab itu penetrasi pada lapisan-lapisan konduktif lebih dangkal.
Metode elektromagnetik pada GPR didasarkan pada Persamaan Maxwell yang menjelaskan hubungan medan dengan distribusi muatan atau arus yang bersangkutan. Perambatan gelombang elektromagnetik pada medium juga ditentukan oleh tiga sifat material yaitu permitivitas listrik (ε), permeabilitas magnet (µ) dan konduktivitas listrik (σ) dengan persamaan sebagai berikut.
- Hubungan induksi magnet dan kuat medan magnet
B = µH, dengan µ=µ0 µr adalah permebabilitas magnetik medium (Henry/meter) - Hubungan pergeseran medan listrik dan kuat medan listrik
D = εE, dengan ε = ε0 εr adalah permitivitas listrik medium (Farad/meter) - Hubungan rapat arus dan kuat medan listrik
J = σE, dengan σ konduktivitas listrik (siemens/meter)
Pada gelombang atenuasi menyebabkan terjadinya kehilangan energi sebagai akibat dari refletion/transmission losses di sekitar batas perlapisan. Ketika gelombang elektromagnetik melalui batas perlapisan maka akan terjadi absorpsi. Konsekuensinya, apabila objek memiliki dimensi sama dengan panjang gelombang dari sinyal gelombang elektromagnetik maka akan terjadi penyebaran energi secara acak. Atenuasi juga bisa disebabkan oleh geometri penyebaran energi pada saat sinyal gelombang elektromagnetik menjalar dari transmitter. Penjalaran secara divergen mengakibatkan berkurangnya energi sebesar 1/r2 dimana r adalah jarak yang telah dilalui. Faktor atenuasi bergantung pada konduktivitas, permeatbilitas magnet, frekuensi serta permitivitas dari medium yang dilalui
Pada GPR, transmitter memancarkan pulsa listrik berbentuk prf (pulse repetition frequency), energi dan durasi tertentu. Prf adalah nilai seberapa sering pulsa diradiasikan ke dalam tanah. Pulsa yang dirambatkan ini akan mengalami atenuasi atau cacat sinyal selama perambatannya. Saat pulsa menabrak lapisan yang tidak homogen maka sinyal akan dipantulkan ke penerima. Tapi saat kondisi tanah homogen maka sinyal yang dipantulkan sangat kecil. Perambatan gelombang dalam tanah dipengaruhi oleh sifat elektromagnetik material yang dilalui. Kecepatan perambatan gelombang bergantung pada konstanta dielektrik dari medium yang dilalui gelombang. Persamaan kecepatan pada gelombang adalah
,
dimana
Vm = kecepatan gelombang radio merambat dalam tanah (m/s)
c = kecepatan cahaya (m/s)
εr = konstanta dielektrik relatif
Dari persamaan diatas disimpulkan bahwa ketika gelombang radar melalui material atau benda di bawah permukaan dengan konstanta dielektrik tinggi, maka gelombang akan merambat dengan kecepatan yang lebih rendah. Berlaku pula sebaliknya. Untuk mengkonversi travel time menjadi depth digunakan Vrms yang mewakili semua kecepatan tiap lapisan yang dilalui.
Kontras konstanta dielektrik pada batas permukaan menyebabkan gelombang terefleksikan ke permukaan. Konstanta dielektrik didapatkan dari persamaan
R = koefisien refleksi
ε1 = konstanta dielektrik pada lapisan pertama
ε2 = konstanta dielektrik pada lapisan kedua
Frekuensi gelombang mempengaruhi resolusi hasil. Semakin besar frekuensinya maka akan menghasilkan resolusi yang lebih baik. Resolusi menunjukkan kemampuan untuk memisahkan dua objek yang berbeda pada jarak yang berdekatan. Kemampuan memisahkan objek berkaitan dengan atribut geometri seperti bentu, ukuran ketebalan dan lainnya. Terdapat dua komponen resolusi yang bekerja yaitu resolusi lateral dan vertikal. Resolusi lateral dirumuskan sebagai
sedangkan resolusi vertikal dirumuskan sebagai
dengan λc merupakan panjang gelombang dari frekuensi tengah antena (meter)