12. laporan metode gpr

Laporan Kuliah Lapangan 2011 | Kelompok 4

120

III.5 Metode Ground Penetrating Radar (GPR)

5.1.Pendahuluan

Ground Penetrating Radar (umumnya disebut GPR) adalah teknik

elektromagnetik resolusi tinggi. GPR merupakan metode yang valuable

digunakan untuk keperluan scientist, penelitian, keteknikan. Aplikasi GPR dapat

dipakai untuk studi kontaminasi air bawah tanah, geoteknik, sedimentologi,

glasiologi, dan arkeologi.

GPR sendiri sudah diterima baik di disiplin ilmu teknik geofisika. Metode

GPR menggunakan gelombang radio untuk membuktikan gambaran bawah

permukaan, yaitu dengan mendeteksi material dari sisi dielektriknya. Ketika

gelombang menyentuh suatu material dengan konstanta dielektrik yang berbeda-

beda, maka akan dipantulkan dan terekam oleh receiver.

GPR menggunakan radar untuk menggambarkan bawah permukaan

dengan gelombang berfrekuensi antara 1 - 1000 MHz. Metode ini dapat

memperlihatkan kondisi bawah permukaan pada kedalaman yang relatif dangkal

yaitu sekitar 1-15 m, tergantung frekuensi yang digunakan. Namun perlu diingat

semakin tinggi frekuensi semakin tinggi resolusinya namun semakin dangkal

penetrasi kedalamannya. Hal ini disebabkan oleh energi elektromagnetik yang

lebih cepat hilang menjadi panas.

Metode ini merupakan metode aktif, mirip dengan metode seismik refleksi

karena menggunakan gelombang elektromagnetik dan memanfaatkan sifat

radiasinya yang memperlihatkan refleksi. Metode georadar memiliki beberapa

macam sistem radar yang telah tersedia, tiap sistem memiliki nilai frekuensi

tertentu seperti 12.5, 25, 50, 100, 200, hingga 1000 MHz. Sebaiknya

pengukuran GPR ini dilakukan pada daerah yang relatif homogen karena GPR

sangat sensitif dengan variasi yang ada. Keunggulan yang dimiliki metoda ini

antara lain keakuratan dalam mendeteksi struktur bawah permukaan seperti

fracture pada bangunan atau pondasi, menentukan bidang perlapisan batuan

lapuk dan kompak, muka air tanah yang dangkal, atau bahkan dapat


121

memperlihatkan benda-benda kecil pada kedalaman dangkal seperti kabel, pipa,

dan gua (cave), bahkan ranjau-ranjau bekas perang. Selain itu, metode ini dapat

juga menunjukkan lokasi air tanah, anomali bahan tambang, hingga fosil-fosil

purbakala.

Pada metode ini, dikenal tiga jenis pengukuran, yaitu refleksi atau CRP

(Continuous Reflection Profiling), velocity sounding atau CMP (Common Mid

Point) bertujuan untuk memperkirakan kecepatan versus kedalaman,

Transiluminasi (GPR tomografi).

5.2.Teori Dasar

GPR menggunakan prinsip gelombang elektromagnetik hamburan untuk

menemukan benda di bawah permukaan, yaitu dengan persamaan Maxwell.

Transmitter membangkitkan pulsa gelombang EM pada frekuensi tertentu.

Antena receiver menerima pulsa pulsa yang tidak terserap oleh bumi tetapi

dipantulkan dalam domain waktu tertentu. Receiver telah diatur untuk

melakukan scan ditampilkan pada layar monitor (real time) sebagai fungsi waktu

two way travel time, yaitu waktu yang dibutuhkan gelombang EM menjalar dari

transmitter- target- receiver.

Persamaan Maxwell

Metode GPR didasarkan pada prinsip persamaan maxwell yang merupakan

perumusan matematis untuk hukum hukum alam yang mendasari semua

fenomena elektromagnet. Persamaan maxwell untuk media isotropik heterogen

dirumuskan sebagai berikut :

Jt

DxH

t

BxE

0 B

E

dengan hubungan


122

D = 0 rE E , B = 0 rH H , EJ

Dimana :

E = Kuat Medan Listrik (V/m)

H =Kuat Medan Magnet (A/m)

J = Rapat arus Listrik (A/m2)

D = perpindahan elektrik ( As/m2 )

B = Induksi Magnet ( Vs/m2)

Q = rapat muatan (As/m3)

Konduktivitas

Tahanan Jenis

= permisivitas medium (Farad/m)

0 r

0 = permisivitas di ruang vacuum = 8.885 x 10-12 ( Farad/m)

r = permisivitas relatif medium

μ = permeabilitas magnet medium

μr = permeabilitas magnet relatif medium,

μ0 = permeabilitas magnet dalam ruang vakum = 4π x 10-7 ( Henry/m)

Besaran yang menggambarkan penjalaran gelombang elektromagnet di

dalam medium, yaitu kecepatan fasa v dan koefisien atenuasi α atau jangkauan /

skin depth τ ( kedalaman dimana sinyal telah berkurang 1/e ( ca.37 %) dari nilai

awal), yaitu :

2

0

1 12r r

r

cv

2

0

1 12r r

rc

1

Untuk materi dengan loss factor rendah P 0 :


123

0.3m

r r

cv

(5.1)

Hubungan antara konstanta relatif dielektrik dan porositas adalah :

1 m w (5.2)

Koefisien Refleksi

Koefisien refleksi (R) didefinisikan sebagai perbandingan energi yang

dipantulkan dengan yang datang, nilainya (R) bergantung pada konstanta

dialetrik relatif ε lapisan 1 dan lapisan 2, adalah ukuran kapasitas dari sebuah

material dalam hal ini melewatkan muatan saat medan elektromagnetik

melewatinya.

2 1

2 1

2 1

2 1

v vR

v v

(5.3)

Secara teknisnya saat pengukuran di lapangan, hasil praktis dari radiasi

gelombang elektromagnetik ke bawah permukaan untuk pengukuran GPR

ditunjukkan dengan prinsip operasi dasar yang diilustrasikan pada Gambar

III.5.1 Gelombang elektromagnetik terpancar dari antena pemancar, bergerak

melalui material dengan kecepatan yang ditentukan terutama oleh permitivitas

material. Gelombang menyebar keluar dan perjalanan ke bawah hingga

menabrak objek yang berbeda sifat kelistrikannya dari medium sekitarnya,

tersebar dari obyek, dan kemudian terdeteksi oleh antena penerima


124

Gambar III.5.1 jejak sinyal dari transmitter menbrak material di bawah pemukaan. A

adalah direct airwave, G adalah adalah direct ground wave, dan R adalah gelombang refleksi, dan

C adalah gelombang refraksi. (Jol, 2009)

Pada semua kasus, besar nilai R terletak antara -1 dan 1, bagian dari

energi yang ditransmisikan sama dengan 1-R. Persamaan diatas diaplikasikan

untuk keadaan normal pada permukaan bidang datar. Dengan asumsi tidak ada

sinyal yang hilang sehubungan dengan amplitudo sinyal.

Jejak yang terdapat pada rekaman georadar merupakan konvolusi dari

koefisien refleksi dan impulse georadar ditunjukkan oleh persamaan :

)t(n)t(F)t(r)t(A (5.4)

dengan:

r(t) = koefisien refleksi

A(t) = amplitudo rekaman georadar

F(t) = impulse radar

n(t) = noise radar

Tabel III.5.1 Konstanta elektromagnetik

Material K A

Udara 1 0 0.3 0

Air murni 80 0.01 0.33 2.10-1

Air laut 80 3.104 0.01 0.1

Pasir kering 4 0.01 0.15 0.01

Pasir basah 25 0.1-1 0.06 0.03

Limestone 6 0.5-2 0.12 0.04

Lempung padat 5-

35 0.05 0.06 1-300

Granit 5 0.1-1 0.13 0.01


125

Rock salt 6 0.1-1 0.13 0.01

Slate 5-

15 0.03 0.09 1-100

Resolusi

Ketika dua gelombang muncul, spasi waktu mereka akan sangat dekat dan

bagaimana cara memisahkan satu dengan yang lain? Jika dua pulsa gelombang

berada pada satu watu maka akan menghasilkan amplitude yang besar. Dengan

mengkaraketrisasi sebuah pulsa dengan lebar amplitude setengahnya, W,

Pemisahan dilakukan dengan membagi pulsa dengan lebar setengahnya. Konsep

pemisahan pulsa dibagi dua

a) Resolusi radial

(5.5)

Keterangan:

= Resolusi Radial

W = lebar amplitude

V= kecepatan

b) Resolusi Lateral

√

(5.6)

Keterangan:

= resolusi lateral

W= lebar pulsa

v = kecepatan

r = jarak target

Pada GPR, lebar pulsa, W, mempunyai hubungan berbanding terbalik

dengan Bandwidth, B, yang mempunyai hubungan berbanding lurus dengan

frekuensi tengah, fc , maka dapat dinyatakan dengan


126

(5.7)

Dan besar frekuensi tengah

(5.8)

Ket:

λc = panjang gelombang dari fc

Maka resolusi lateral dapat ditulis

√

(5.9)

Resolusi lateral erat kaitannya dengan Hukum Fresnel, yaitu berhubungan

dengan sinyal sinusoidal dimana resolusi lateral adalah radius dari fc

Hamburan Atenuasi

Gelombang Elektromagnetik akan mengalammi atenuasi dengan

hamburan atenuasi yang dinyatakan sebagai keofisien atenuasi,αs (Annan, 2005).

Energi elektromagnetik akan menurun sesuai kedalaman dapat , dinyatakan

(5.10)

Keterangan:

E = Energi magnetic

E0 = Energi magnetic awal

αs = koefisien atenuasi

r = kedalaman

dan kefisien atenuasi adalah

(5.11)

Keterangan :

N = Jumlah unit

A= hamburan atenuasi


127

Gambar III.5.2 kurva antara waktu dan kedalaman yang menggambarkan Atenuasi

5.3.Akuisisi Data

Pengambilan data dilakukan pada 30 Mei - 3 Juni 2010 pada enam line

yang sama dengan metoda geolistrik dan seismik refraksi, yaitu pada daerah

Desa Jati Bungkus, Karang Sambung; Kebumen. Pada kali ini, kami melakukan

survey dengan metode Continous Reflecting Profiling (CRP). Prinsip kerja metoda

ini adalah menarik alat GPR sepanjang lintasan yang relatif lurus dengan jarak

transmitter dan receiver yang sama karena dalam kasus ini alat kami didesain

sebagai shielded atau tertutup dan posisinya tetap.


128

Parameter pada pengukuran GPR secara CRP, antara lain:

a) Frekuensi tengah antenna

b) Time Window

c) Sampling Interval

d) Jarak pergeseran pengukuran

e) Jarak antar antenna

f) Arah Antena

Gambar III.5.3 Ilustrasi skema pengukuran GPR secara CRP (Jol, 2009)

Alat – alat yang digunakan adalah sebagai berikut :


129

1. RAMAC X3M/ MALA shielded

Alat ini mengoperasikan antena yang berperan sebagai transmitter dan

receiver. Selain itu, alat ini juga dihubungkan dengan peralatan elektronik

(Ethernet) seperti laptop sebagai monitor di lapangan.

Gambar III.5.4 RAMAC X3M/ MALA shielded

Spesifikasi Teknis:

Power supply: 12V baterai Li-ion pack

Waktu operasi: 10h> dengan baterai standar

Temperatur operasional : -20 ° hingga 50 ° C / 0 ° sampai 120 ° F

Lingkungan: IP67

Dimensi: 310 x 180 x 30 mm / 12,2 x 7 x 1,2 di

Berat: 1.7 kg / £ 3,7

Komunikasi berkecepatan tinggi (Ethernet) dengan XV Monitor / notebook

PC

Auto Stacking untuk kualitas data kecepatan tertinggi dan kinerja optimal

Antena: The X3M sepenuhnya didukung berbagai tipe frekuensi shielded

antenna (100, 250, 500 & 800 MHz).

2. Antenna

Antena berperan sebagai transmitter dan receiver yang berfungsi

membangkitkan dan mengirimkan gelombang elektrmagnetik dan setelah

gelombang terkirim melalui medium bawah tanah lalu terpantulkan, gelombang

tersebut diterima kembali. Pada observasi ini, antena yang digunakan adalah

antena shielded dengan frekuensi 250 MHz. Antena shielded 250 MHz adalah

antena yang umum digunakan, umumnya digunakan untuk investigasi yang

membutuhkan kedalaman penetrasi dan resolusi menengah.

Dimensi: 0,74 x 0,44 x 0,16 m - Berat: 7,85 kg


130

Gambar III.5.5 RAMAC X3M/ MALA shielded

3. Dua buah Connector cable

Kabel ini Berfungsi sebagai medium sinyal Gelombang Elektromagnetik

dari transmiter dan receiver ke unit kontrol (laptop) dan juga untuk

menyambungkan unit ke power supply (accumulator).

4. Notebook

Notebook ataupun laptop digunakan untuk mengoperasikan ataupun

mengatur data akuisisi. Selanjutnya pengolahan data dapat dilakukan di sini

pula.

5. GPS

GPS digunakan untuk menentukan posisi serta elevasi tempat

pengambilan data.

Gambar III.5.6 Global Positioning System (GPS)


131

6. Alat ukur panjang

Alat ini digunakan untuk menentukan panjang spasi tiap pengukuran. Pada

survey ini kali ini kita menggunakan benang untuk membantu pengukuran spasi,

tiap 5 meter.

Gambar III.5.7 Akuisisi Data GPR

5.4.Pengolahan Data

Data hasil akuisisi dismpan dalam bentuk .rd3, yang selanjutnya akan

diolah dalam program ReflexW, sehingga hasil akuisisi dapat diinterpretasikan

gambaran bawah permukaannya. Tampilan menubar pada ReflexW


132

Berikut adalah flowchart dari pengolahan data GPR dengan ReflexW

Gambar III.5.8 Flowchart prosessing data GPR dengan ReflexW

Start

(Input rawdata)

(input rawdata)

Dewow

Static Correction

Gain

Background Removal

Bandpass Frequency

3D Topography Correction

F-K Filter

Finish

(Output)

(output)


133

Berikut adalah langkah-langkah pengolahan data GPR:

Membuat Project

Membuat folder penyimpanan hasil tiap langkah dalam menubar Project

Gambar III.5.9 Menu Project

Mengimport Rawdata

Mengimport rawdata format rd.3 yang akan diolah pada menubar Modules

Gambar III.5.10 Mengimport rawdata dengan format rd.3

Buat project baru di

folder tertentu


134

Gambar III.5.11 Parameter Data

Lalu akan keluar rawdata yang akan diproses

Gambar III.5.12 penampang rawdata

Parameter

yang

penampang

yang akan

tersisi sendiri

setelah

memasukan

rawdata

Jenis spesisfikasi

nama file

nama file


135

Proses Dewow

Pada menu pilih processing – 1D Filter – kemudian pilih substract mean

(dewow). Proses Dewow berfungsi untuk menghilangkan komponen VLF (Very

Low Frequency). Pada area pengukuran yang dekat dengan transmitter kan

mengandung, energi dengan frekuensi rendah yang berasosiasi dengan area

induktif dan elekstrotatik. VLF ini sering menghasilkan komponen variasi waktu

yang melambat dan terekam pada data. Energi ini menyebabkan naik atau

turunnya frekuensi pada level base yang terekam oleh sinyal (noise). Efek ini

dikenal sebagai baseline "wow" pada pembacaan GPR. Sinyal wow dapat ditekan

dengan mengaplikasikan high-loss temporal filter pada sinyal yang terdeteksi,

proses ini dikenal sebagai dewow. Karena proses Dewow merupakan langkah

processing pertama maka tandai Processing Label dengan angka nol (0).

Gambar III.5.13 Window 1-D Filter

Substract-mean

(dewow)

Namakan

Processing Label

Gambaran trace

ke-2 sebagai salah

satu contoh unutk

dihilangkan

frekuensi

rendahnya


136

Maka setelah diproses hasilnya menjadi seperti di bawah ini

Gambar III.5.14 Penampang setelah dilakukan proses Dewow

Proses Static Correction

Pada menu pilih processing – static correction/muting – static correction.

Proses Static Correction dilakukan agar letak data terdapat pada

ketinggian yang seharusnya, yaitu menempatkan To (z=0) di permulaaan sinyal

sehingga first arrival berada di To(z=0), kita dapat mempergunakan

wigglewindow untuk memperbaiki first arrival untuk ditempatkan di To yang

seharusnya.

Gambar III.5.15 Window Static Correction

Hasil pick dari

penampang hasil

Dewow wiggle

Window


137

Gambar III.5.16 Wiggle Window pada menubar view

Maka hasil yang akan keluar setelah proses Static Correction

Gambar III.5.17 Penampang setelah proses Static Correction

Proses Gain

Pilih menu processing – gain – manual gain (y) . Proses Gain dilakukan

untuk memperkuat sinyal yang melemah akibat atenuasi. Oleh karena itu, kita

memplot bagian trace yang ingin diperbesar energinya dengan bentuk logaritma

natural, sesuai dengan persamaan.

pick pada Wiggle

Window


138

Gambar III.5.18 Window pick Manual Gain -Y

Gambar III.5.19 Window Manual Gain-Y

Pick nilai Gain

yang akan

diperkuat secara

manual

berbentuk

logaritma natural

Nilai hasil pick yang ditabelkan

Sebelum (energi yang melemah akibat atenuasi) Sesudah ( proses Gain berguna untuk memperbesar energi)


139

Maka hasil dari proses Gain adalah di bawah ini

Gambar III.5.20 penampang setelah proses Gain

Proses Background Removal

Pilih menubar 2D-Filter-Background Removal. Proses Background Removal

berguna untuk menghilangkan gangguan arah mendatar

Gambar III.5.21 Window 2D filter processing-background removal


140

maka hasil dari proses Background Removal adalah

Gambar III.5.22 Penampang setelah proses Background Removal

Proses Bandpassfrequency

Pilih menubar 1D-Filter – Bandpassfrequency. Proses Bandpass frequency

adalah pengaturan toleransi frekuensi yang digunakan. Nilai di bawah lower

cutoff adalah batas nilai frekuensi rendah yang tidak dipakai, nilai antara lower

cutoff dan lower plateu adalah nilai frekuensi yang diperlemah, nilai antara lower

plateu samapi upper plateu adlah frekuensi yang digunakan, nilai antara upper

plateu sampai upper cutoff adalah nilai frekuensi yang diperlemah, sedangkan

nilai frekuensi di atas upper plateu tidak digunakan.

Gambar III.5.23 Window 1D-Filter- bandpassfrequency

Pick nilai

cutoff dan

plateau


141

Maka hasil dari proses bandpassfrequency

Gambar III.5.24 Penampang setelah proses bandpassfrequency

Proses Correct 3D Topography

Proses Correct Topography adalah memasukan data topografi dengan

format jarak melintang (x), tebal (y), dan nilai elevasi (z).

Gambar III.5.25 Window memilih file topografi dengan format (top*.*)

Nama file

berbentuk

top*.*


142

Gambar III.5.26 Format penulisan data topografi pada file dengan format .txt

Gambar III.5.27 Window Correct 3D topography

Lebar (y)

Jarak (x)

Elevasi (z)


143

Maka hasil penampangnya adalah

Gambar III.5.28 penampang setelah proses correct 3D- Topography dilakukan

Proses F-K filter

Pilih processing – fk filter/fk spectrum – generate. Setelah digenerate, pilih

zona spectrum dengan mengklik zona yang akan digunakan. Filter ini digunakan

untuk membatasi zona spectrum yang digunakan.

Gambar III.5.29 Window FK-Filter


144

Pilih zona spectrum pada daerah bagian tengah

Gambar III.5.30 Window Zona Spektrum

Nilai spectrum akan tercantum di tabel secara otomatis

Gambar III.5.31 Window table FK-Filter


145

Maka hasil akhir dari prosesnya adalah

Gambar III.5.32 Penampang setelah Proses FK-Filter

5.5.Pemodelan dan Interpretasi

Line1


146

Pada jarak 0-80 meter dapat dilihat topografi yang cendung naik

memperlihatkan nilai kontras warna yang besar pada kedalaman 5 meter.

Kontras warna yang besar menandakan amplitude tinggi yang biasanya

merupakan cirri dari lapisan batuan yang kompak. Pada jarak 100-124 meter

topografi menurun curam lalu naik lagi hingga jarak 150 meter, pada ketebalan

kira-kira 1 meter pertama memperlihatkan kontras warna yang besar, namun

makin ke dalam kontras warna makin kecil. Kontras warna kecil menandakan

lapisan batuan yang lapuk atau nilai amplitudenya kecil.

Line 2

Pada kedalaman 2-4 meter pada jarak lintasan 0-80 meter

memperlihatkan kontras warna yang besar menandakan amplitude besar yaitu

penciri lapisan batuan yang cukup kompak. Dan pada kedalaman 2.5-5.5 meter.

Pada penampang jarak antara 80-150 meter memperlihatkan kontras warna

yang rendah mencirikan lapisan batuan yang lapuk.


147

Line 3

Secara keseluruhan line 3 memperlihatkan kontras warna yang kecil yaitu

memiliki amplitude kecil sepanjang lintasan. Pada line 3 memiliki topografi yang

cenderung naik ini mengandung lapisan batuan yang lapuk

Line 4 terbagi dua pengukuran, disebabkan lingkungan yang tidak

memungkinkan untuk dilakukan akuisisi, yaitu menyebrangi sungai.


148

Line4a

Pada line 4a area pengukuran didominasi dengan kontras warna kecil,

namun pada beberapa kedalaman kontras warna agak besar . Pada line 4a ini

lapisan didominasi dengan lapisan batuan lapuk

Line 4b

Pada kedalaman 0.5 meter memperlihatkan kontras warna yang besar,

yang menandakan lapisan batuan yang kompak, dan semakin ke dalam kontras

warna makin kecil yang menandakan lapisan batuan yang lapuk.


149

Line 5

Pada penampang dengan jarak 0-20 meter memperlihatkan kontras warna

yang kecil yaitu penciri lapisan batuan lapuk, pada 20-26 meter lapisan kontras

warna besar, yaitu penciri batuan kompak. Pada jarak 26-50 meter kontras

warna kecil, yaitu penciri lapisan batuan lapuk, sedangkan pada 50-90 meter


150

hasil data tidak terlihat jelas ditandai dengan ketidakkonsistenan kontras warna.

Pada 90-150 meter kontras warna cukup besar, yaitu mencirikan batuan

kompak.

LineE

Pada Line E, kedalaman 0-4 meter memperlihatkan kontras warna yang

cukup besar yaitu mencirikan lapisan batuan yang kompak, sedangkan pada

kedalamanl 4-5 meter , kontras warna kecil, yaitu penciri lapisan batuan lapuk.

12. laporan metode gpr

Documents