10

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Teknologi yang semakin berkembang dapat menunjang kegiatan penelitian dalam berbagai bidang keilmuan terutama untuk peralatan yang digunakan. Ground Penetrating Radar adalah metode geofisika yang dikembangkan sebagai salah satu alat bantu untuk penelitian geologi bawah permukaan dangkal dan terperinci. Alat ini memancarkan gelombang radar atau gelombang elektromagnetik kedalam tanah yang nantinya akan dipantulkan kembali. Berbagai kegiatan survey dan deteksi telahbanyak ditopang oleh GPR ini sebagai alat pendeteksi bawah tanah. GPR merupakan metode yang memiliki spesialisasi untuk eksplorasi dangkal (nearsurface geophysics) dengan ketelitian yang sangat tinggi sehingga mampu mendeteksi benda sasaran bawah permukaantanah. GPR juga dapat digunakan untuk mendeteksi benda non-metalik (pipa plastik, mayat, bahkan lubang/ruang kosong). Asalkan benda tersebut memiliki sifat listrik yang berbeda dengan benda sekitarnya (host material).GPR merupakan salah satu metode geofisika yang tidak merusak. GPR bekerja dalam daerah radar, yaitu yang berfrekuensi di atas 10 Hz atau yang bersesuaian dengan panjang gelombang lebih kecil dari 30 m. Dengan adanya georadar ini, akan memudahkan kita untuk mendeteksi barang-barang nineral, tanpa harus merusak lingkungan dan pengoperasiaanya pun tidak membutuhkan biaya dan waktu yang banyak.

1.2 Rumusan Masalah1. Apa yang dimaksud dengan metode Ground Penetrating Radar ?2. Bagaimana Prinsip kerja Ground Penetrating Radar ?3. Apa kelebihan dan kelemahan Ground Penetrating Radar ?

1.3 Manfaat dan Tujuan 1. Mengetahui maksud dari penggunanaan metode Ground Penetrating Radar.2. Mengetahui prinsip kerja Ground Penetrating Radar.3. Mengetahui kelebihan dan kelemahan dalam menggunakan Ground Penetrating Radar.BAB IIKAJIAN PUSTAKA

2.1 Pengertian dan Sejarah GPRGround Penetrating Radar (GPR) merupakan suatu alat yang menerapkan metode geofisika dengan menggunakan teknik elektromagnetik yang dirancang untuk mendeteksi objek yang terkubur di dalam tanah dan mengevaluasi kedalaman objek tersebut. GPR juga dapat digunakan untuk mengetahui kondisi dan karakteristik permukaan bawah tanah tanpa mengebor ataupun menggali tanah. Prinsip-prinsip dasar ground penetrating radar telah dikenal sejak diperkenalkannya radar untuk penelitian ilmiah pada dekade 1960-an dan menjelang perang dunia II. Penggunaan sinyal elektromagnetik pertama menentukan keberadaan suatu objek remote terrestrial biasanya dihubungkan dengan Hulsmeyer pada tahun 1904. Pekerjaan Hulsenbeck pada tahun 1926 merupakan penggunaan pertama teknik sinyal untuk menentukan struktur tersembunyi. Setelah tahun 1930-an, teknik sinyal telah dikembangkan untuk menyelidiki kedalaman berbagai macam medium dan mendeteksi benda-benda yang terpendam dalam tanah. Adanya kemajuan teknologi dalam aplikasi sinyal elektromagnetik telah banyak menarik perhatian manusia untuk mengembangkan fungsi dari sinyal elektromagnetik. Sehingga pengembangan fungsi yang telah dilakukan mampu membuat tanah dan kandungannya bisa diperkirakan secara jelas. Dengan perkembangan teknologi telah ditemukan sebuah metode yang sangat baik untuk mendeteksi bawah tanah, yaitu Ground Penetrating Radar karena memiliki cakupan spesialisasi dan pengaplikasian yang sangat luas. 2.2Peralatan GPRSecara garis besar, peralatan yang digunakan dalam mendeteksi objek yang ada di dalam tanah dengan menggunakan alat Ground Penetrating Radar kurang lebih sama saja dengan metode-metode penyelidikan lainnya yaitu :a) Perangkat komputerb) Control unitc) Graphic recorderd) Transmitere) ReceiverBerikut merupakan alat Ground Penetrating Radar:

Gambar 2.1. Alat Ground Penetrating Radar

2.3.Prinsip Kerja GPRGeoradar menggunakan sifat elektromagnetik dengan menggunakan gelombang radio dengan frekuensi antara 1-1000 Mhz dan memanfaatkan sifat radiasinya yang memperlihatkan refleksi seperti pada metode seismik refleksi. Sistem GPR terdiri atas pengirim (transmitter), yaitu antena yang terhubung ke sumber pulsa (generator pulsa) dengan adanya pengaturan timing circuit, dan bagian penerima (receiver), yaitu antena yang terhubung ke LNA dan ADC yang kemudian terhubung ke unit pengolahan (data processing) serta display sebagai tampilan outputnya. Prinsip penggunaan metode ini tidak jauh berbeda dengan metode seismik pantul, suatu sistem radar terdiri dari sebuah pembangkit sinyal, antena pengirim (transmitter) dan antena penerima (receiver). Sinyal radar ditransmisikan sebagai pulsa-pulsa yang berfrekuensi tinggi 500 MHz, umumnya antara 900 MHz sampai 1 GHz. Adapun dalam menentukan tipe antena yang digunakan, sinyal yang ditransmisikan dan metode pengolahan sinyal tergantung pada beberapa hal, yaitu:1. Jenis objek yang akan dideteksi2. Kedalaman objek3. Karakteristik elektrik medium tanah

Gelombang yang dikirimkan bergerak dengan kecepatan tinggi dan melewati media bawah permukaan. Gelombang tersebut dapat diserap oleh media, dapat pula dipantulkan kembali. Gelombang akan diterima oleh receiver dalam selang waktu tertentu dalam beberapa puluh hingga ribuan nanosekon. Lama waktu tempuh tersebut tergantung pada keadaan media yang dilewati oleh media tersebut. Sehingga pemilihan frekuensi yang digunakan tergantung pada ukuran target, aproksimasi range kedalaman dan aproksimasi maksimum kedalaman penetrasi ditunjukkan pada tabel berikutTabel 2.1 Resolusi dan daya tembus gelombang radar

Mode konfigurasi antena transmitter dan receiver pada GPR terdiri dari mode monostatik dan bistatik. Mode monostatik yaitu bila transmitter dan receiver digabung dalam satu antena, sedangkan mode bistatik adalah bila kedua antenna tersebut memiliki jarak pemisah yang disebut offset. Receiver diatur untuk dapat melakukan scan secara normal mencapai 32 hingga 512 scan perdetik. Setiap hasil scan akan ditampilkan dalam layer monitor sebagai fungsi waktu two-way travel time, yaitu waktu yang diperlukan oleh sinyal untuk menempuh jarak dari transmitter menuju target dan dipantulkan kembali menuju receiver. Tampilan ini disebut radargram, analog dengan seismogram pada penyelidikan menggunakan metode seismik.

Berikut merupakan skema kerja dari GPR:

Gambar 2.2 Skema Ground Penetrating RadarUntuk memeroleh hasil yang baik,GPR harus memiliki persyaratan bsebagai berikut: Kopling radiasi yang efisien kedalam tanah Penetrasi gelombang elektromagnetik yang efisien Menghasilkan sinyal dengan aplitudo yang besar dari objek yang dideteksi Bandwidth yang cukup untuk menghasilkan resolusi yang baik.Tiga prinsip dasar yang membedakan GPR dengan radar konvensional adalah: Bandwidth operasi dari GPR diletakan pada frekuensi rendah untuk mendapatkan kedalaman penetrasi yang memadai ke dalam tanah. Tidak seperti sistem radar konvensional GPR beroperasi di dekat permukaan tanah. Ini berakibat kekasaran dari permukaan tanah dan ketidakhomogenan tanah dapat meningkatkan clutter. Kebanyakan GPR merupakan sistem radar jarak dekat (short-range).Sifat elektromagnetik suatu material bergantung pada komposisi dan kandungan air didalamnya, dimana keduanya merupakan pengaruh utama pada perambatan kecepatan gelombang radar dan atenuasi gelombang elektromagnetik dalam material. Kecepatan gelombang radar dalam suatu medium tergantung pada kecepatan cahaya dalam ruang hampa (c = 0.3 m/ns), konstanta dielektrik relatif medium (r) dan permeabilitas magnetic relatif (r). Fenomena elektromagnetik ini dapat dijelaskan dengan Persamaan Maxwell yang merupakan perumusan hukum-hukum alam yang mendasari semua fenomena elektromagnetik. Dirumuskan sebagai berikut:

Keterangan:E = Kuat medan listrikH = Fluks medan magnetB = Permeabilitas magnetikJ = Rapat arus listrik = Dielektrik = Konduktifitas = Tahanan jenisPersamaan Maxwel ini adalah landasan berpikir dari perambatan gelombang elektromagnet. Dengan menggunakan Persamaan Maxwell diatas, diturunkan persamaan gelombang elektromagnetik sebagai berikut:

Keberhasilan metode GPR bergantung pada variasi bawah permukaan yang dapat menyebabkan gelombang radar tertransmisikan dan refleksikan. refleksi yang ditimbulkan oleh radiasi gelombang elektromagnetik timbul akibat adanya perbedaan antara konstanta dielektrik relatif antara lapisan yang berbatasan. Perbandingan energi yang direfeleksikan disebut koefesien refeleksi (R) yang ditentukan oleh perbedaan cepat rambat gelombang elektromagnetik dan lebih mendasar lagi adalah perbedaan dari konstanta dielektrik relatif dari medium yang berdekatan. Hal ini dapat terlihat pada persamaan berikut :

Keterangan :V1 = cepat rambat geombang elektromagnet pada lapisan 1V2 = cepat rambat geombang elektromagnet pada lapisan 2 , dan V1 < V21 dan 2 = konstanta dielektrik relatif lapisan 1 dan lapisan 2Kecepatan gelombang elektromagnetik dalam beberapa medium tergantung pada kecepatan cahaya di udara (c = 300 mm/ns), konstanta delektrik relatif (r) dan permeabilitas magnetik relatif (r = 1 untuk material non magnetik). Selain itu, kecepatan radar tergantung pada jenis bahan dan merupakan fungsi dari permitivitas relatif bahan. Kecepatan gelombang radar dalam material (Vm) diberikan oleh persamaan berikut:

dimana :c = kecepatan cahaya dalam ruang hampa (3 x 108 m/s)r = konstanta dielektrik relatifr = permeabilitas magnetik relativeP = loss factor, dimana P = / , adalah konduktifitasUntuk material dengan loss factor rendah (P = 0), maka berlaku persamaan berikut

Dalam semua kasus, besarnya R terletak antara -1 dan 1. bagian dari energi yang ditransmisikan sama dengan 1-R. Persamaan diatas daplikasikan 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 :

Keterangan :r(t) = koefisien refleksiA(t) = amplitudo rekaman georadarF(t) = impulse radarn(t) = noise radar

Dalam perambatannya, amplitudo sinyal akan mengalami pelemahan karena adanya energi yang hilang, sebagai akibat terjadinya refleksi / trasmisi di tiap batas medium dan terjadi setiap kali gelombang radar melewati batas antar medium. Faktor kehilangan energi disebabkan oleh perubahan energi elektromagnetik menjadi panas. Penyebab dasar terjadinya atenuasi merupakan fungsi kompleks dari sifat dielektrik dan sifat listrik medium yang dilewati oleh sinyal radar. Faktor atenuasi tergantung pada konduktivitas, permitivitas, dan permeabilitas magnetik medium, dimana sinyal tersebut menjalar, serta frekuensi sinyal itu sendiri.Salah satu hal yang perlu diperhatikan dalam menggunakan GPR adalah skin depth. Skin depth adalah suatu besaran yang menyatakan kedalaman pada suatu medium homogen dimana amplitudo gelombang elektromagnetik pada kedalaman itu telah berkurang menjadi 1/e (mencapai 37 %) dari amplitudo awalnya di permukaan bumi. Kedalaman penetrasi dibatasi oleh konduktifitas tanah yang rendah (atau resisitivitas yang tinggi). Sebagai contoh, sinyal teratenuasi (penyusutan kuat sinyal) oleh lempung yang rendah konduktivitasnya hingga kedalaman penetrasi dapat hanya mencapai 0,2 meter. Tetapi pada garam, es, atau granit kering, penetrasi dapat mencapai lebih dari 300 meter, hal ini dipengaruhi oleh nilai konstanta dielektrik relatif air yang tinggi (r=81) hingga kelembaban tanah dan batuan dapat mempengaruhi respon radar. Lempung yang mengandung lapisan konduktif yang rendah dan tinggi secara berselang-seling akan mempengaruhi kedalaman penetrasi, sehingga dapat dimengerti kenapa interpretasi radar sebelum dan sesudah hujan akan menghasilalkan nilai yang berbeda. Berikut merupakan hubungan antara konstanta dielektrik dengan kecepatan:Tabel 2.2 Kecepatan dan Konstanta dielektrik berbagai mediumMaterialV (m/s)

Air1300

Water (fresh)8133

Water (sea)8133

Sand3 6120 170

Clay soil3173

Sand (wet)25 3055 60

Sand (dry)3 6120 170

Agricultural land1577

Average soil1675

Granite5 8106 120

Limestone7 8100 113

Dolomite6,8 8106 115

Basalt8106

Untuk keperluan interpretasi, selain kedalaman diperlukan juga data kecepatan perambatan gelombang elektromagnetik untuk setiap lapisan, geometri perambatan sinyal ground penetrating radar tidak jauh berbeda dengan seismik pantul. Sinyal-sinyal yang dipantulkan oleh ketidak kontinuan secara horizontal akan terekam kemudian setelah traval time tertentu, ke dalam reflektor akan diperoleh jika kecepatan perambatan diketahui.Pengukuran radar merupakan metode yang tepat untuk mendeteksi benda kecil yang dekat dengan permukaan bumi (0,1 hingga 3 meter) pada tanah yang kering dan hampir homogen dengan resistivitas elektrik yang besar mengingat resolusinya yang tinggi, namun pada daerah dengan kadar kegaraman kecil, dapat mencapai kedalaman 25-30 meter. Untuk penetrasi yang lebih dalam, frekuensi transmisi harus rendah (< 200 Mhz), namun akan mengurangi resolusinya, pemilihan frekuensi dipertimbangkan tergantung kepada kemungkinan kedalaman penetrasi dan resolusi yang diinginkan, tentunya dengan ikut mempertimbangkan sifat listrik dari daerah penyelidikan dan target penyelidikan.

2.4.Akuisisi Data GPRSetelah memutuskan tentang kedalaman yang akan diobservasi maka proses berikutnya adalah mulai mendeteksi kondisi bawah permukaan, dimana dalam operasi ini mula-mula operator memindahkan kedua antena sesuai model awal yang dikehendaki. Sinyal atau gelombang yang dipancarkan akan segera dipantulkan kembali setelah menempuh two-way travel time tertentu, hasilnya akan terekam pada alat grafik recorder yaitu radargram yang berbentuk penampang yang menerus, konfigurasi inilah yang merupakan cerminan perbedaan litologi dari reflektor di bawah permukaan. Terdapat tiga model untuk memperoleh data penyelidikan GPR yakni :2.4.1.Reflection Profiling (antena monostatik maupun bistatik)Cara ini dilakukan dengan membawa antena bergerak secara simultan di atas permukaan tanah dimana nantinya hasil tampilan pada radar gram akan merupakan kumpulan dari tiap-tiap pengamatan. Cara ini serupa dengan cara countinous seismik reflection profiling pada metode seismik. Kedalaman target atau reflektor dapat diketahui jika cepat rambat gelombang diketahui. Berikut merupakan skema pengukuran Radar Reflection Profiling:

Gambar 2.3 Skema pengukuran Radar Reflection Profiling2.4.2.Wide Angel Reflection and Refraction (WARR)Cara WARR sounding ini dilakukan dengan meletakkan sumber pemancar atau transmitter pada suatu posisi yang tetap, sedangkan receiver dipindah-pindah sepanjang lintasan penyelidikan. Cara ini umumnya digunakan untuk reflektor yang realatif datar atau memiliki kemiringan yang rendah. Tetapi asumsi bahwa reflektor cendrung datar adalah tidak selalu benar, maka untuk mengatasi kelemahan ini digunakan cara CMP, yang hanya sedikit berbeda dengan cara WARR, pada CMP sounding, kedua antena bergerak menjauhi satu sama lainnya dengan titik tengah pada titik yang tetap, kedua cara ini merupakan cara yang paling umum digunakan. Berikut merupakan skema pengukuran WARR dan CMP sounding:

Gambar 2.4 Skema Pengukuran WARR

Gambar 2.5 Skema Pengukuran CMP Sounding2.4.3.Transilluminasi atau disebut Juga Radar TomografiCara ini dilakukan dengan menempatkan transmitter dan receiver pada posisi yang berlawanan. Sebagai contoh jika transmitter diletakkan pada lubang bor maka receiver diletakkan pada lubang bor lainnya. cara ini umumnya digunakan pada kasus non-destructive testing (NDT) dengan menggunakan frekuensi antena yang tinggi, sekitar 900 Mhz. Berikut merupakan skema pengukuran Transilluminasi:

Gambar 2.6 Skema Pengukuran Transilluminasi2.5.Pengolahan DataData-data yang diperoleh pada penyelidikan harus diproses terlebih dahulu sebelum diinterpretasikan. Karena target dan material yang ada di bawah permukaan bumi umumnya memiliki karakter yang tidak sama (heterogen) maka sinyal yang dipancarkan dan yang kembali akan mengalami berbagai perubahan sepanjang lintasannya menempuh perjalan, sinyal dapat berkurang (atenuasi) karena berbagai sebab. Pemrosesan data dapat dibagi kedalam dua fase pemrosesan yaitu :2.5.1. Selama AkuisisiSinyal yang diterima terlebih dahulu mengalami filtrasi untuk memilah-milah data yang diperoleh menggunakan filter yang diset sedemikian rupa dengan broadband seluas mungkin agar data-data yang potensial dapat terjaring secara keseluruhan sehingga tidak memerlukan penyelidikan ulang yang cenderung merugikan.2.5.2. Setelah AkuisisiUntuk mendapatkan data yang lebih detail dan terfokus maka filtrasi turut dilakukan pada pemrosesan data pasca fase akuisisi, pada tahap ini hanya data digital yang dapat diproses, keberhasilan pemrosesan data seringkali tergantung beberapa factor seperti biaya dan waktu yang tersedia, kualitas data, dan kemampuan peralatan pemrosesan (hardware dan software).2.6.Interpretasi DataPekerjaan akhir dalam penyelidikan dengan menggunakan Ground Penetrating Radar adalah menerjemahkan data-data sinyal yang telah diperoleh dari akuisisi untuk kemudian diplot kedalam suatu bentuk konfigurasi agar dapat dibaca dan diambil kesimpulan, pekerjaan ini adalah interpretasi.2.7.Kelebihan dan Kelemahan Metode Ground Penetrating Radar2.7.1.Kelebihan GPRSalah satu kelebihan pengukuran GPR adalah relatif mudah untuk dilakukan dan tidak merusak tanah yang akan diteliti. Antena dapat dibawa oleh tangan atau dengan kendaraan dari 0.8 sampai 8 kph, atau lebih. Data GPR dapat ditafsirkan dengan benar pada tanah tanpa pemrosesan data. Display grafik data GPR menyerupai potongan melintang lapisan tanah. Ketika data GPR dikumpulkan pada jarak yang dekat (kurang dari 1 meter), data tersebut dapat digunakan untuk menghasilkan pandangan dimensional yang dapat meningkatkan kemampuan untuk menafsirkan kondisi-kondisi di bawah permukaan tanah. Disisi lain keuntungan utama dari teknik GPR adalah bahwa antena tidak harus bersentuhan secara langsung dengan permukaan tanah, dengan cara demikian dapat mempermudah dan mempercepat pengukuran. Performa yang optimum, terlebih dengan jarak yang kecil dari antena ke permukaan tanah, biasanya akan dapat diamati hanya dengan menggunakan detail nilai dari geometri dan sifat alami tanah. Keuntungan lain dari sistem radar adalah kemampuannya dalam mendeteksi tipe sasaran tertentu yang diberikan dan menghasilkan gambar sasaran dalam 3 dimensi. Dalam material yang memiliki konduktivitas frekuensi rendah yang tinggi, seperti air garam, tanah liat dan bijih yang konduktif atau mineral, akan terjadi peredaman sinyal yang besar. Hal tersebut dapat saja dikurangi dengan menurunkan frekuensi yang dipancarkan, tetapi hal ini juga dapat mengurangi resolusi antara target.2.7.2.Kelemahan GPRKelemahan utama GPR adalah lokasi capaiannya yang spesifik. Kedalaman penetrasi dibatasi oleh adanya mineralogi tanah liat atau pori-pori cairan dengan konduktivitas tinggi yang dapat menghambat pencapaian resolusi dan kedalaman penetrasi yang tinggi. Selain itu kondisi material tanah yang berbeda-beda pada tiap lokasi menyebabkan resolusi dan kedalaman penetrasi menjadi berubah-ubah pula sehingga untuk mendapatkan resolusi dan kedalaman penetrasi yang konstan mau tidak mau harus mengubah frekuensi serta durasi pulsa. Oleh karena itu beberapa sistem GPR dilengkapi dengan pembangkit pulsa untuk transmisi impuls dengan berbagai durasi yang berbeda untuk kedalaman penetrasi yang berbeda. Antena GPR bagaimanapun secara umum dioptimasi hanya untuk durasi pulsa tertentu. Apabila GPR bekerja dengan impuls yang berbeda memerlukan antena yang berbeda. Penggantian antena berulang-ulang adalah tidak efisien, proses yang merepotkan dan bahkan menjadi aktifitas yang menghambat kegiatan.

BAB III PENUTUP3.1 Kesimpulan Ground penetrating radar (GPR) merupakan suatu alat yang digunakan untuk proses deteksi bendabenda yang terkubur di bawah tanah dengan tingkat kedalaman tertentu, dengan menggunakan gelombang elektromagnetik. Peralatan GPR yang digunakan terdiri dari unit kontrol, antena pengirim dan antena penerima, penyimpanan data yang sesuai dan peralatan display. Aplikasi GPR dapat digunakan untuk survey benda-benda yang terpendam di tempat yang dangkal, atau di tempat yang dalam. Keuntungan penggunaan GPR adalah relatif mudah untuk dilakukan dan tidak merusak, dan antena tidak harus bersentuhan secara langsung dengan permukaan tanah. Keterbatasan utama GPR adalah lokasi capaiannya yang spesifik, dan antenna GPR secara umum dioptimasi hanya untuk durasi pulsa tertentu.

1