Aplikasi Ground Penetrating Radar (GPR) untuk Mendeteksi Objek pada Berbagai Media Muhammad Syukri1, Zulkarnain A.Djalil1, Muttaqin1, Marwan1, Rosli Saad2 1
Laboratorium Geofisika, Jurusan Fisika FMIPA Unsyiah, Darussalam, Banda Aceh 2 Geophysic Section, School of Physics, USM, Penang, Malaysia
[email protected] Abstrak
Penelitian mengenai aplikasi GPR untuk mendeteksi objek pada berbagai media menunjukkan karakteristik tersendiri. Akuisisi data menggunakan GPR Ramac 500 MHZ dan pengolahan data dengan software Ramac GroundVision dilakukan dengan objek besi dan beton pada media udara, air dan beton. Hasil penelitian menunjukkan sifat yang unik pada setiap media, yaitu berupa citra radargram yang relatif baik. Citra tersebut merepresentasikan jarak dari objek yang didapat dari hasil pembagian waktu dan kecepatan rambat gelombang elektromagnetik pada setiap media, yang menunjukkan amplitudo yang berbeda. Untuk media udara, air dan beton didapat kecepatan gelombang radio (v) masing-masing sebesar 0.30; 0.041; dan 0.115 m/ns, serta permitivitas relatif () masing-masing 1; 53.4; dan 6.81. Hasil yang didapat menunjukkan karakteristik masing-masing media. Hal ini menunjukkan bahwa metode GPR sangat sesuai diaplikasikan pada studi objek dangkal, dengan hasil yang sangat siginifikan. Kata kunci: Gelombang elektromegnetik, GPR, media, permitivitas relatif.
Abstract Research on the application of GPR to detect objects in various media shows its own characteristics. Data acquisition by using the Ramac GPR 500 MHz and data processing using software Ramac GroundVision is done with objects of iron and concrete in the media of air, water and concrete. The results showed that the unique properties in each medium, indicatited by radargram with relatively good image. The image represents the distance of the object obtained from the divided of time and the speed of propagation of electromagnetic waves in each medium, which shows different amplitudes. For the medium of air, water and concrete obtained radio wave velocity (v) respectively of 0:30; 0041; and 0.115 m/ns, as well as the relative permittivity () respectively 1; 53.4; and 6.81. The results show the characteristics of each media. This shows that the GPR method is very appropriate applied to the study of shallow objects, with the results that are very significant. Keywords: Electromagnetic wave, GPR, medium, relative permitivity. .
Pendahuluan Metode ground penetrating radar (GPR) merupakan salah satu metode aktif yang relatif baru dan terus berkembang yang manfaatnya telah dikembangkan di berbagai bidang, dan merupakan metode yang digunakan untuk eksplorasi dangkal, sehingga banyak diaplikasikan di berbagai bidang seperti: geologi, konstruksi dan rekayasa, arkeologi, ilmu forensik, masalah lingkungan dan lainnya (Milson, 2003; Annan, 2005). Jika dibandingkan dengan metode geofisika yang lain metode ini memiliki beberapa kelebihan, diantaranya adalah cara pengoperasian-nya lebih mudah, non destruktif dan frekuensi yang digunakan sangat tinggi (MHz) maka resolusinya juga akan tinggi. Beberapa aplikasi penting dari metode GPR adalah digunakan eksplorasi mineral, analisis sumber air tanah, studi keretakan jalan atau bendungan dan lain sebagainya. Penerapan yang tak kalah menarik adalah lingkungan seperti prediksi dan penentuan
lokasi daerah bawah permukaan yang terkontaminasi zat pencemar (Knight, 2001; Beres, and Haeni, 1991). Mendeteksi objek yang terpendam di bawah permukaan pada berbagai macam media sedikitnya juga sangat menarik, sejalan dengan perkembangan teknologi dapat digunakan berbagai keperluan aplikasi. Dibandingkan dengan metode geofisika lainnya, metode GPR merupakan teknik yang paling unggul untuk mendeteksi objek dangkal dan dapat terlihat dengan baik. Untuk itu perlu dilakukan studi untuk menentukan karakeristik dan respons gelombang elektromagnetik dari GPR setelah merambat pada berbagai media dan menentukan sifat gelombang elektromagnetik untuk mendeteksi objek di bawah permukaan.
Teori Dasar Salah satu aplikasi penting dari gelombang elektromagnetik adalah pada salah metode
geofisika yaitu metode GPR. Gelombang elektromagnetik dipancarkan melalui transmitter ke bawah permukaan, maka pantulannya akan ditangkap oleh receiver untuk memetakan struktur bawah permukaan (Topp, et. Al, 2980). Energi gelombang EM bergerak dalam ruang hampa sebesar c=2,998 x m/s kecepatan ini dipengaruhi oleh permeabilitas magnetik dan permitivitas listrik dalam ruang hampa, dengan persamaan:
dimana: µ0 = permabilitas dalam ruang hampa = 4π x 107 henry/m, dan ε0 = permitivitas listrik dalam ruang hampa = 8.854 x 10-12 farad/m. Berdasarkan sifatnya gelombang elektromagnetik mempunyai karakteristik yang berbeda ketika merambat pada media yang berbeda. Dimana karakteristik radiasi gelombang elektromagnetik pada media atau struktur bumi (diteruskan, dihamburkan dan dipantulkan) ditentukan oleh kontras parameter fisika, permeabilitas magnetik (µ), permitivitas listrik (ε), konduktivitas (σ) (Tillard dan Dubois, 1995). Rasio kecepatan gelombang elektromagnetik di udara terhadap kecepatan pada media lain disebut dengan indeks bias n yaitu:
Batu bara Kwarsa Beton Aspal PVC, Epoxy, Polyesters
4-5 4,3 6-12 3–5
134 - 150 145 55 – 112 134 – 173
3
173
Ground Penetrating Radar (GPR) Ground Penetrating Radar salah satu teknik eksplorasi geofisika yang memiliki komponen penting yaitu antenna, pemancar (transmitter) dan penerima (receiver). Kemampuan penetrasi GPR bergantung pada frekuensi sinyal sumber, efisiensi radiasi antena dan sifat dilektrik material. Sinyal radar dengan frekuensi yang tinggi akan menghasilkan resolusi yang tinggi, tetapi kedalaman penetrasi terbatas (Annan, 1996). Jenis antenna yang digunakan, sinyal yang ditransmisikan dan metode pengolahan sinyal tergantung pada: 1. Jenis objek yang akan dideteksi 2. Kedalaman Objek, dan 3. Karakteristik elektrik medium tanah Dari proses pendeteksian seperti di atas, maka akan didapatkan suatu citra dari letak dan bentuk objek yang terletak di bawah tanah. Jika sinyal GPR mengenai suatu lapisan atau objek dengan suatu konstanta dielektrik berbeda, pulsa akan dipantulkan kembali, diterima oleh antena receiver, dan akan terekan waktu dan besar sinyal, dan prinsip sederhananya seperti pada Gambar 1.
dimana adalah permitivitas relatif suatu medium yang dilalui gelombang elektromagnetik. Daftar nilai permitivitas relatif dan kecepatan gelombang elektromagnetik dalam berbagai medium yang berbeda terdapat dalam Tabel 1. Tabel 1. Nilai permitivitas relatif dan kecepatan gelombang elektromagnetik pada berbagai media. Kecepatan Mineral (mm/ns) Udara 1 300 Air (bersih) 81 33 Air (laut) 81 33 Pasir (Kering) 3–6 120 – 170 Pasir (Basah) 25-30 55 –60 Silt (Basah) 10 95 Tanah Liat Basah 8 – 15 86 – 110 Tanah Liat Kering 3 173 Rawa 12 86 Granit 5–8 106 – 120 Batu gamping 7–9 100 – 113 Dolomite 6,8 – 8 106 – 115 Basalt (Basah) 8 106 Batu Pasir 6 112
Gambar 1. Skema prinsip dasar GPR. (www.terraprobegeoscience.com) Karakteristik radiasi gelombang elektromagnetik pada struktur bumi ditentukan oleh beberapa
parameter fisika. Kecepatan gelombang elektromagnetik pada suatu media ditentukan dengan persamaan:
dimana c adalah kecepatan gelombang elektromagnetik di udara (0,3 m/ns), ε=εr.ε0, adalah permitivitas listrik, ε0 adalah permitivitas listrik di udara (8.854 x 1012 F/m) dan ω=2πf adalah frekwensi angular, dan σ/ωε mengekspresikan loss factor. Dalam medium non magnetik (µ=1) sebagai material dengan low-loss, dimana σ/ωε ~ 0. Bila sinyal ini dipancarkan ke dalam media, maka pulsa tersebut akan mengalami atenuasi selama perambatannya di dalam media. Waktu tempuh di perlukan oleh sinyal gelombang elektromagnetik dari antenna pemancar melewati media menuju suatu interface atau objek dan kembali ke antenna penerima disebut two ways travel time (Bradford, et.al, 2009). Besaran ini menunjukkan posisi atau kedalaman objek yang memantulkan gelombang elektromagnetik, dapat ditentukan dengan hubung-an berikut:
dimana adalah waktu tempuh dua arah (two ways travel time).
METODOLOGI Penelitian ini dilakukan dengan menggunakan GPR Ramac 500 MHz, yang disebut juga dengan Easy Locator dapat digunakan untuk mendeteksi objek yang berbahan metal ataupun non-metal dengan kedalaman yang dangkal. Pengambilan data di lapangan menggunakan sistem Reflection Profilling. Pada pengukuran, dilakukan: pengaturan medium-medium yang akan di teliti, penentuan jenis objek (anomali) yang akan di teliti, dan melakukan pengaturan dan kaliberasi alat. Model objek yang menjadi target untuk pendeteksian dan mempelajari proses perambatan gelombang elektromagnetik adalah pipa besi. Sedangkan media yang digunakan adalah: udara, air, dan beton. Pipa besi diletakkan dibawah media udara dan air, sedangkan pipa beton diletakkan dibawah media beton. Skema penelitian seperti terlihat pada Gambar 2. Pengolahan data hasil scan GPR dilakukan dengan bantuan software Gred. Software ini digunakan untuk memberi gambaran dari data radar dalam bentuk citra dan model sesuai data dan informasi yang didapatkan. Pemrosesan data dilakukan untuk mengurangi frekuensi noise, menajamkan citra (image), dan menempatkan zero
time pada tempatnya sehinga didapatkan citra radargram (GPR) yang mudah untuk diinterpretasi gambaran bawah permukaannya.
Gambar 2 (a). Skema penelitian dan model identifikasi objek, (b). bentuk hiperbola yang dihasilkan sinyal-sinyal.
HASIL DAN PEMBAHASAN 1. Analisa Radargram Pola refleksi yang dihasilkan pada radargram dari setiap medium bersifat unik, dimana bahwa reflektor yang sama dapat disebabkan oleh medium yang berbeda. Dipilihnya bahan metal (besi) sebagai objek (reflektor) akan menghasilkan refleksi yang sangat kuat, hal ini merupakan ciri khas dari bahan metal. Bahan metal seperti pipa besi akan memberikan respon seperti hiperbola dengan amplitudo besar pada radargram (Gambar 2-4). Demikian juga untuk media beton akan terlihat pada pola citra yang dihasilkan (Gambar 5). Dari citra radargram tersebut terlihat adanya pola refleksi yang relatif kuat pada bagian tengah lintasan, sementara pada awal maupun akhir lintasan pola refleksinya melemah dan menunjukkan pola yang melengkung ke bawah. Hal ini diinterpretasikan akibat adanya benda yang mempunyai nilai impedan elektromagnetik lebih tinggi dibanding sekitarnya, sehingga kecepatan gelombang yang melewati benda tersebut menjadi lebih cepat dan lebih jelas. Benda tersebut merupakan objek (pipa besi) yang diletakkan dibawah dan beton pada saluran, sedangkan di sekitarnya adalah medium yang mempunyai nilai impedansi elektromagnetik lebih rendah.
Gambar 2. Radargram (a) sebelum dan (b) sesudah pemrosesan data pada medium air.
memberikan pola yang jelas pada citra yang dihasilkan GPR.
Gambar 3. Radargram (a) sebelum dan (b) sesudah pemrosesan data pada medium udara.
2. Analisa Wavelet Elektromagnetik Untuk sebuah citra georadar (radargram) seperti data diatas merupakan kumpulan dari pulsa yang diperoleh dari wavelet yang telah mengalami peristiwa hamburan dengan material di dalam media. Wavelet (pulsa) gelombang elektromagnetik yang di pancarkan GPR melalui medium dan melewati objek kemudian sinyal pantul akan diterima oleh penerima (receiver). Pada Gambar 5a, b, dan c terlihat variasi amplitudo pada setiap waktu untuk setiap perambatan gelombang pada media yang berbeda. Pola yang dihasilkan ini disebut dengan pola sinyal pantul. Wavelet yang diambil pada medium air adalah trace ke 24 dari 48 pulsa yang terekam, untuk medium udara adalah trace ke 62 dari 102 pulsa, sedangkan untuk medium beton adalah trace ke 128 dari 189 pulsa yang terekam.
Gambar 4. Radargram (a) sebelum dan (b) sesudah pemrosesan data pada medium beton. Hasil pengolahan data menunjukkan untuk medium air didapat kecepatan gelombang elektromagnetik adalah 0,041 m/ns dan kedalaman dari objek 0,5 m. Untuk medium udara didapat kecepatan gelombang elektromagnetik adalah 0,3 m/ns dan kedalaman objek 0,64 m. Sedangkan untuk medium beton didapati kecepatannya adalah 0,115 m/ns dan kedalaman objek 0,88 m. Berdasarkan hasil interpretasi citra radargram tersebut didapatkan beberapa informasi penting berkaitan dengan karakteristik medium dan objek yang diberikan, yang masing-masing berbeda. Dengan frekwensi yang sangat tinggi yang digunakan maka tidak dapat menembus kedalaman yang lebih jauh, hal ini disebabkan karena energi elektromagnetik yang tinggi tersebut lebih cepat hilang menjadi panas dan menyebabkan kerugian pada kekuatan sinyal di kedalaman. Namun demikian memberikan resolusi yang lebih baik. Selain itu, semakin konduktif objek yang menjadi sasaran, maka akan semakin jelas sinyal yang ditangkap. Pipa besi merupakan material yang berkonduktivitas sangat baik, sehingga akan
Gambar 5. Wavelet elektromagnetik pada medium (a). air, (b). udara dan (c), beton. Untuk medium air didapai waktu tempuh gelombang elektromagnetik adalah 23.854 ns dan
konstanta dielektrik relatif () adalah 53,4. Relatif rendahnya konstanta dielektrik pada air ini disebabkan oleh keadaan air yang tidak bersih dan tingginya pelarut pada air. Dengan makin tingginya pelarut (yang kurang polar) pada air akan menyebabkan turunnya konstanta dielektrik sehingga kekuatan interaksi elektrostatik antara molekul yang kontak dengan air akan meningkat. Pada medium udara didapat waktu tempuh gelombang elektromagnetik adalah 4,263 ns dan konstanta dielektrik relatif (r) adalah 1. Sedangkan untuk medium beton didapati profil yang menunjukkan keberadaan pipa beton, dengan waktu tempuh gelombang elektromagnetiknya 14,991 ns dan konstanta dielektrik relatif adalah 6.81. Hasil penelitian menunjukkan proses pemantulan akan terjadi ketika gelombang elektromagnetik yang melewati medium mengenai objek (material) yang bersifat konduktif yang berada dibawah permukaan. Geometri dan kontras dari setiap objek dan media menentukan karakteristik dan besarnya sinyal pantul. Perambatan gelombang yang menemui berbagai macam kondisi dan deretan sifat elektrik dari berbagai macam medium mengakibatkan besarnya amplitudo sinyal pantul menjadi sangat variatif. Hasil penelitian ini menunjukkan perbedaan sifat-sifat fisik medium dan objek tersebut.
KESIMPULAN Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa media udara, air, dan beton mempunyai perbedaan karakteristik perambatan gelombang elektromagnetik, dimana medium air lebih lambat (v=0,041 m/ns) dibanding beton (v=0,115 m/ns) dan udara (v=0.3 m/ns), sehingga medium udara mempunyai respons yang lebih cepat dibanding air dan beton. Kemudian juga dari model respons gelombang elektromagetik pada objek dan medium berupa citra radargram didapatkan hasil cukup baik dengan respons yang berbeda, yaitu untuk media air dengan konstanta dielektrik relatif air (r= 53,4), udara (r= 1) dan beton (r= 6,81).
DAFTAR ACUAN [1] Annan, A. P. (1996), Transmission dispersion and GPR, Journal of Environtal and Engineering. Geophysics, 1(B), pp.125–136. [2] Annan, A. P. (2005), Ground-penetrating radar, in Near-Surface Geophysics, Invest. Geophys., vol. 13, edited by D. K. Butler, chap. 11, pp. 357–438, Soc. of Explor. Geophys., Tulsa, Oklahoma. [3] Beres, M., and F. P. Haeni (1991), Application of ground-penetrating-radar methods in hydrogeologic studies, Ground Water, 29(3) , pp.375–386. [4] Bradford, J. H., W. P. Clement, and W. Barrash (2009), Estimating porosity with
[5] [6] [7]
[8]
ground-penetrating radar reflection tomography: A controlled 3-D experiment at the Boise Hydrogeophysical Research Site, Water Resour. Res., 45, W00D26. Milson J., (2003), Field Geophysics. Wiley, Chichester, pp.232. Knight, R. (2001), Ground penetrating radar for environmental applications, Annu. Rev. Earth Planet. Sci., 29 (1), pp.229–255. Tillard, S., and J.-C. Dubois (1995), Analysis of GPR data: Wave propagation velocity determination, Journal of Applied Geophysics , 33(1–3),pp.77–91. Topp, G. C., J. L. Davis, and A. P. Annan (1980), Electromagnetic determination of soil water content: Measurements in coaxial transmission lines, Water Resour. Res., 16 (3), pp.574–582.
