II.4.2 GPR (Ground Penetrating Radar)

Ground Penetrating Radar, juga dikenal sebagai ground radar atau georadar,

merupakan teknik resolusi tinggi penggambaran lapisan dangkal dan struktur

tanah menggunakan prinsip-prinsip perambatan gelombang elektromagnetik yang

kedalaman penetrasinya dan besar amplitudo yang terekam bergantung pada sifat

kelistrikan dari batuan dan frekuensi antena yang digunakan.

Metode GPR merupakan salah satu metode geofisika yang dapat digunakan untuk

memetakan struktur dan objek bawah permukaan yang letaknya cukup dangkal.

Prinsip dasar dari metode ini adalah menggunakan gelombang elektromagnetik

yang memiliki frekuensi dan kecepatan yang tinggi. Gelombang elektromagnetik

yang biasanya digunakan pada metode ini adalah gelombang radio dengan range

frekuensi 10 MHz – 1000 MHz. Gelombang tersebut akan dikirim ke dalam tanah

dari permukaan oleh transmitter dan akan dipantulkan kembali oleh reflektor.

Reflektor GPR adalah suatu interface yang memilki perbedaan sifat

elektromagnettik seperti konstanta dielektrik dan konduktivitas dengan

lingkungan sekitarnya. Gelombang pantul ini kemudian ditangkap oleh receiver

yang berada di permukaan.

Untuk mendeteksi kedalaman dan lokasi dari objek tertentu, maka signal radio

harus melalui objek sehingga dapat terjadi peristiwa scaterring (penyebaran

gelombang). Dengan mendeteksi signal yang kembali, maka dapat dideteksi lokasi

dari objek tersebut.

II.4.2.1 Teori Dasar

Metode Georadar didasarkan atas persamaan Maxwell yang merupakan

perumusan matematis yang mendasari semua fenomena elektromagnetik.

Persamaan Maxwell terdiri dari empat persamaan medan yang masing-masing

dapat dipandang sebagai hubungan antara medan distribusi sumber (muatan atau

arus) yang bersangkutan.

Persamaan Maxwell yang pertama adalah persamaan yang menghubungkan

medan listrik E dengan rapat muatan listrik :

∇ . E= ρϵ 0

Dimana ϵ 0 adalah permivitas listrik untuk ruang hampa (ϵ 0 = 8,854 x 10-12 F/m).

Persamaan ini juga dikenal sebagai persamaan Gauss dan merupakan turunan dari

hokum Coulumb.

Persamaan Maxwell yang kedua berasal dari hokum Biot-Savart-Ampere

mengenai interaksi magnetostatis yang dinyatakan dalam persamaan berikut :

∇ . B=0

Dalam persamaan di atas menunjukkan tidak adanya muatan sumber medan yang

berupa medan magnetis B (x).

Persamaan Maxwell yang ketiga adalah :

∇ x E=0

Persamaan di atas menyatakan sifat konservatif medan elektrostatis.

∇ x E=−∂ B∂ t

∇ . B=0

∇ . D=ρ

Persamaan Maxwell yang keempat adalah :

∇ x B=μJ

Dimana :

E = Medan listrik (volt/m)

(2.31)

(2.32)

(2.33)

(2.34)

(2.35)

(2.36)

(2.37)

B = Medan magnetik (ohm m)

μ = Rapat arus (ampere/m2)

Persamaan yang menghubungkan sifat fisik medium dengan medan yang timbul

pada medium tersebut dapat dinyatakan dengan :

B=μ H

D=ϵ E

J=σ E= Eρ

Dimana :

H = Intensitas medan magnet (Ampere/m)

D = Perpindahan listrik (Coulomb/m2)

ϵ = Permitivitas listrik (Farad/m)

σ = Konduktivitas listrik (S/m)

Untuk menyederhanakan masalah, sifat fisik medium diasumsikan tidak bervariasi

terhadap waktu dan posisi (homogen isotropis). Maka persamaan Maxwell dapat

dinyatakan sebagai berikut :

∇ x E=−μ∂ H∂ t

∇ x H=σ E+ϵ∂ E∂ t

∇ . E=0

∇ . H =0

Persamaan Maxwell ini merupakan landasan berpikir dari perambatan gelombang

electromagnetik (Anggi, 2009).

(2.38)

(2.39)

(2.40)

(2.42)

(2.43)

(2.44)

(2.41)

II.4.2.2 Kecepatan, Penetrasi, dan Resolusi Gelombang Radar

Kecepatan gelombang radar sangat bergantung pada konstanta dielektrik dari

medium yang dilalui oleh gelombang tersebut (Musset and Khan dalam Seanko

Neri Anggi, 2009).

v= c

√εr

v = kecepatan gelombang radio merambat dalam tanah (m/s)

c = kecepatan cahaya (m/s)

ε r = konstanta dielektrik reatif

Dari persamaan di atas dapat didefinisikan bahwa ketika gelombang radar melalui

material di bawah permukaan yang emilikui konstanta dielektrik yang tinggi,

maka gelombang tersebut akan merambat dengan kecepatan yang lebih rendah

dan begitu pula sebaliknya.

Adanya kontras konstanta dielektrik pada batas permukaan menyebabkan

gelombang radar akan terpantul (refleksi) dengan koefisien refleksi :

R=√ε 2−√ε1

√ε2+√ε1

R = koefisien refleksi

ε 1 = konstanta dielektrik lapisan pertama

ε 2 = konstanta dielektrik lapisan kedua

Besarnya penetrasi atau kedalaman yang dapat dicapai oleh gelobang radar sangat

bergantung pada besar kecilnya frekuensi yang digunakan. Semakin kecil

(2.45)

(2.46)

frekuensi atau semakin besar panjang gelombang maka akan semakin besar

penetrasi yang dapat dicapai oleh gelombang. Besarnya penetrasi juga

dipengaruhi oleh konduktivitas material. Semakin tinggi konduktivitas suatu

material maka penetrasinya akan semakin dangkal karena terjadi absorbs oleh

lapisan-lapisan yang konduktif (Musset dan Khan, 2009).

Penentuan frekuensi gelombang radar yang digunakan juga akan berpengaruh

pada resolusi hasil perekaman data. Apabila frekuensinya rendah, maka resolusi

yang dihasilkan akan semakin buruk. Sehingga, untuk menghasilkan resolusi yang

baik digunakan frekuensi yang besar.

II.4.2.3 Perambatan Gelombang dalam Tanah

Ketika gelombang radio dipancarkan dari transmitter akan menghasilkan

gelombang refleksi dengan amplitudo yang berbeda-beda. Perbedaan ini

berhubungan degan karakter lapisan-lapisan yang dilalui gelombang tersebut.

Amplitude sinyal atau gelombang refleksi yang terekam di receiver sangat

bergantung terhadap sifat elektromagnetik dari material yang ada di bawah

permukaan bumi yang dilewati oleh gelombang radar. Sifat elektromagnetik dari

berbagai material yang ada di bawah permukaan bumi sangat berhubungan

dengan komposisi mineral dan kandungan air yang dimilikinya (Reynold dlam

seinko, 2009).

Konstanta dielektrik suatu material menyatakn kemampuan material tersebut

untuk menyimpan muatan yang relatif sama dalam ruang hampa atau

kecenderungan suatu material untuk terpolarisasi ketika medan listrik diberikan.

Berikut ini merupakan nilai parameter fisis dari beberapa material yang

berhubungan dengan GPR (Ground Penetrating Radar).

Tabel 2.2 Nilai parameter fisis material (Fisher and Stewart, 1992)

Material ε σ (ms/m) v(m/ns) a(dB/m)

Water 80 0.5 33 0.1

Dry sand 3-5 0.01 0.15 0.01-1

Wet sand 20-30 0.1-1 0.06 0.03-0.3

Clay 5-40 2-1000 0.06 1-300

Granite 6 0.02-2 0.12 0.01-1

II.4.2.4 Energi yang Hilang dan Atenuasi

Refleksi atau transmisi di sekitar batas lapisan menyebabkan energi hilang. Jika

kemudian ditemukan benda yang memiliki dimensi yang sama dengan panjang

gelombang dari sinyal gelombang elektromagnetik maka benda ini menyebabkan

penyebaran energi secara acak. Absorbsi dapat pula menyebabkan energy hilang.

Penyabab yang paling utama hilangnya energi karena adanya atenuasi fungsi

kompleks dari sifat listrik dan dielektrik media yang yang dilalui sinyal radar.

Atenuasi tergantung pada koduktivitas, permeabilitas magnetik, dan permitivity

dari media yang dilalui oleh sinyal dan frekuensi dari sinyal itu sendiri

(Deniyatno, 2011).

II.4.2.5 Metode Pengukuran GPR

Terdapat tiga model untuk memperoleh data peyelidikan GPR yaitu : Reflection

profiling (antenna monostatik maupun bistatik), wide angel reflection and

refraction (WARR) atau common midpoint (CMP) sounding yang merupakan

pengembangan dari WARR, dan transilluminasi atau disebut juga radar tomografi.

1. Radar reflection profiling

Cara ini dilakukan dengan membawa antenna secara simultan di atas

permukaan bumi dimana hasil tampilan pada radargram merupakan

kumpulan dari tiap-tiap pengamatan.

Gambar 2.6 Model pengukuran radar reflection profiling

Pola akuisis penampang radar refleksi ini, antenna transmitter dan receiver

bergerak bersamaan di atas permukaan bumi dengan waktu tempuh

terukur terhadap reflektor radar yang ditunjukkan pada sumbu vertical

sementara jarak antena yang bergerak ditunjukkan pada sumbu horizontal

(Agustinus dwi jayanto, 2009).

2. Wide angel reflection and refraction (WARR) atau common midpoint

(CMP)

Cara WARR sounding ini dilakukan dengan meletakkan sumber pemancar

atau transmitter pada suatu posisi yang tetap sedangkan receiver dipindah-

pindah sepanjang lintasan pengukuran. Cara ini umumnya digunakan

untuk reflektor yang relative datar atau memilki kemiringan yang rendah.

Akan tetapi, asumsi yang menyatakan bahwa reflektor cenderung datar

tidak selalu benar. Maka untuk mengatasi kelemahan ini digunakan cara

CMP yang hanya sedikit berbeda dari WARR dimana pada CMP sounding

kedua antenna bergerak menjauhi satu sama lainnya dengan titik tengah

pada titik yang tetap. Kedua cara ini merupakan cara yang paling umum

digunakan.

Gambar 2.7 Model pengukuran wide angel reflection and refraction

Gambar 2.8 Model pengukuran common midpoint

3. Transillumination

Cara ini dilakukan dengan menempatkan transmitter dan receiver pada

posisi yang berlawanan. Sebagai contoh jika transmitter diletakkan pada

suatu lubang bor maka receiver diletakkan pada lubang bor lainnya.

Umumnya cara ini digunakan pada kasus Non-Destructive Testing (NDT)

dengan menggunakan frekuensi antenna yang tinggi sekitar 900 MHz.

Gambar 2.9 Model pengukuran transillumination