Teknologia

Maatutkain historia ulottuu viime vuosisadan alkuun. Christian Hülsmeyer patentoi Maatutkain edeltäjän, telemobiloskoopin, vuonna 1904, ja se oli ensimmäinen laite, joka pystyi havaitsemaan kaukana olevia kohteita radioaaltojen avulla. Ensimmäiset kirjalliset todisteet maatutkain käytöstä ovat vuodelta 1929, jolloin sitä käytettiin jäätikön paksuuden arviointiin Itävallassa. Jään tutkiminen sekä vuoristossa että napa-alueilla jatkui 1970-luvulle asti, ja tuolloin maatutka oli kvasigeofoni, joka kehittyi vähitellen nykyaikaiseksi maatutkaiksi, jota käytettiin hiili- ja suolakaivoksissa sekä Apollo 17 -lennolla Kuuhun. Ensimmäinen dokumentoitu maatutkain onnistunut käyttö arkeologiassa – aarteenetsinnässä – on vuodelta 1978. Erityisesti Victorio Peak -huippua Uudessa Meksikossa tutkittiin vuoren alla olevien luolien, tunneleiden ja muiden onkaloiden löytämiseksi, jotka sopisivat metsästäjä Milton Nossin legendaan ja hänen mahdolliseen aarrekammioonsa. Kiinnostus maatutkaiin kasvoi räjähdysmäisesti ympäri maailmaa 1990-luvulla ja jatkuu edelleen. Nykyään maatutka pidetään geofysikaalisena menetelmänä, jolla on laajimmat käyttömahdollisuudet.

Nykyään maatutka tunnustetaan myös laajalti tehokkaaksi ja luotettavaksi tekniikaksi maanalaisissa kunnossapitotutkimuksissa, ja yhä useammat maat ovat sisällyttäneet maatutkain maanalaisen infrastruktuurin tutkimuksia koskeviin säännöksiinsä. Maatutkailla voidaan saada erittäin todenmukainen kuva tutkittavasta alueesta, koska sillä saadaan tuhansia kertoja enemmän mittauspisteitä kuin sähkömagneettisella merkkiaineella. Lisäksi maatutka on vähemmän herkkä ulkoisille häiriöille, ja se pystyy havaitsemaan maanalaiset verkostot myös alueilla, joilla ne ovat lähellä toisiaan.

Maatutka pystyy myös havaitsemaan kaikenlaisia esineitä, jotka poikkeavat sitä ympäröivästä ympäristöstä, sekä erilaisia maakerroksia. Tarkemmin sanottuna maatutka mittaa radioaaltojen nopeutta, joka vaihtelee materiaalista riippuen, ja voi näin ollen erottaa toisistaan erilaisia esineitä ja kerroksia.

Maatutkain pääkomponentit ovat ohjausyksikkö, antenni ja akku.

Ohjausyksikkö tuottaa ja ohjaa sähkömagneettisten aaltojen pulsseja. Ohjauslaitteessa on yleensä myös sisäänrakennettu tietokone, joka vastaanottaa heijastetut pulssit, tallentaa ne ja suorittaa ensisijaisen käsittelyn. Useimmissa ohjauslaitteissa on myös näyttö, jonka avulla käyttäjä voi asettaa maatutkain asetukset ja seurata tutkimustietoja reaaliajassa.

Maatutka-lähetinantenni lähettää sähkömagneettisia pulsseja maahan. Tämä energia tunkeutuu syvemmälle maahan, mutta osa energiasta heijastuu takaisin muista kohteista kuin maasta. Vastaanottimen antenni sieppaa heijastuneen energian ja mittaa sen voimakkuuden ja ajan, joka kului sen kulkemiseen maan läpi.

Kuva 1: Maatutkan toiminta

Saadakseen tietoa eri syvyyksissä olevista kohteista maatutka kerää useita satoja lukemia sähkömagneettisista heijastuksista yhdestä pisteestä peräkkäin. Riippuen maatutkassa käytetystä oskilloskooppitekniikasta jokainen lukema saadaan joko lähettämällä uusi pulssi (ekvivalenttiajan näytteenotto) tai keräämällä kaikki lukemat yhteen pulssiin (reaaliaikainen näytteenotto). Tämä tekniikka määrittää maatutkain suurimman liikenopeuden tiedonkeruun aikana.

Kaikista yhdestä pisteestä kerätyistä näytteistä kootaan skannausjoukko eli A-scan.

A-kuvan avulla voidaan määrittää heijastuneen aallon parametrit kyseisessä paikassa (x, y). Tämä antaa tärkeää tietoa, kun vierekkäisten mittauspisteiden parametreja verrataan. Sitä voidaan käyttää myös amplitudin voimakkuuden ja polariteetin selvittämiseen kaikilla korkeuksilla (z). Tutkimustehtävästä riippuen näistä näytteistä kerätään ja luodaan A-poikkileikkauksia yleensä 1-5 cm:n välein. Kaikissa maatutkissa on mahdollisuus määrittää, lähetetäänkö maahan pulsseja automaattisesti kiinteällä etäisyydellä tai ajalla vai manuaalisesti.

Kuva: A-pyyhkäisy (D. J. Daniels, 2004).

Kun maatutka siirretään maata pitkin ja A-kuvat asetetaan vastakkain, saadaan sähkökenttien matriisi, jota kutsutaan B-kuvaksi. B-kuvausta voidaan käyttää kohteiden tarkkaan havaitsemiseen ja paikantamiseen. Tämä on tärkein menetelmä maanalaisten viestintäyhteyksien sijainnin (x, y, z) tarkkaan paikantamiseen. Riippuen lineaarisen kohteen (putki, kaapeli jne.) suuntauksesta skannauslinjaan nähden B-kuva näyttää kohteen hyperbolina, osittaisena hyperbolina tai erillisenä viivana.

Kuva B: B-skannaus (Ristic, 2009).

Kun kaikki kerätyt B-kuvaukset asetetaan vastakkain, muodostetaan 3D-matriisi eli C-kuvaus.

C-skannauksen avulla voit tehdä leikkauksia tutkimusalueelle sekä vaakasuunnassa (aikaviipale) että pystysuunnassa pitkittäis- ja poikittaissuunnassa. Näin saadaan täydellinen kuva kohteen sijainnista. Kohteen tarkan sijainnin määrittämiseksi käytetään yleensä eri leikkauksia samalta alueelta.

Kuva: C-skannauksen 3D-näkymä

Koska maatutka on geofysikaalinen laite, maaperän ominaisuudet vaikuttavat suoraan sen suorituskykyyn:

• magneettinen suskeptibiliteetti,
• sähkönjohtavuus,
• dielektrinen permeabiliteetti.

Magneettinen suskeptibiliteetti vaikuttaa sähkömagneettisten aaltojen etenemiskykyyn, mutta koska se on alhainen luonnollisessa maaperässämme, se ei yleensä vaikuta maatutkain suorituskykyyn.

Pinnan johtavuudella on suora vaikutus sähkömagneettisten aaltojen etenemiseen ja siten maatutkain toimintaan, sillä se aiheuttaa energiahäviöitä. Maaperän sähkönjohtavuuden vuoksi maatutkain lähettämä energia hajoaa eri suuntiin, eikä sitä jää riittävästi tunkeutumaan syvemmälle maaperään. Tämän seurauksena maatutka ei ”näe” tarpeeksi syvälle. Esimerkiksi suolaisen veden sähkönjohtavuus on erittäin hyvä, joten maatutka ei pysty keräämään tietoja sieltä, missä merivesi on tunkeutunut maaperään. Samoin maatutka ei näe tiheän metalliverkon tai metallilevyjen läpi.

Pinnan dielektrinen läpäisevyys on maaperän ominaisuus, johon maatutka tukeutuu voimakkaasti.

Tämä vaikuttaa nopeuteen, jolla sähkömagneettiset aallot kulkevat pinnan läpi, sisäisen vastuksen ja heijastuksen kautta. Dielektrinen permittiivisyys kertoo, kuinka nopeasti sähkömagneettinen aalto voi kulkea tietyn pinnan läpi.

Eri materiaaleilla on erilainen dielektrisyysvakio, joten sähkömagneettiset aallot voivat levitä niiden läpi eri nopeuksilla:

Pöytä: Materiaalien dielektrisyysvakio ja sähkömagneettisen aallon nopeus

Maatutka mittaa aikaa, joka kuluu, kun pulssi kulkee lähettimen antennista kohteeseen ja heijastuu sieltä takaisin vastaanottimen antenniin.

Kun tunnetaan maaperän dielektrinen läpäisevyys ja aika, joka kului pulssin saapumiseen kohteeseen ja takaisin, voidaan laskea kohteen etäisyys (syvyys) maatutkaista.

Maatutka voi esimerkiksi kartoittaa maanalaisen sähköverkon sijainnin ja syvyyden, mutta se ei pysty tunnistamaan, mistä verkosta on kyse. Riippuen maatutka-tyypistä, ohjelmistosta ja tulkitsijan taidoista, voidaan ehkä erottaa toisistaan kaapelit ja putket sekä metallinen ja ei-metallinen infrastruktuuri, mutta ei voida esimerkiksi sanoa, onko kyseessä pienjännite-, pienjännite- vai keskijännitekaapeli. Maanalaisten verkostojen kokoa ja halkaisijaa ei myöskään voida tunnistaa maatutkailla riittävällä tarkkuudella.

Maatutka tarvitsee suoran kosketuksen maahan havaitakseen paremmin maanalaiset kohteet. Tästä syystä maatutka ei suositella käytettäväksi maassa, jossa on paksu lumi tai korkea ruohopeite. Maatutka on tehokkain kuivalla ja hiekkapohjaisella maaperällä ja tehottomampi märällä ja savipitoisella maaperällä. Maatutka näkee hyvin myös betonin läpi. Jos betonin metalliverkko on kuitenkin tiheämpää kuin maatutkain aallonpituus, maatutka ei näe sen läpi.

Maatutkain kyky havaita kohteita riippuu käytetyn antennin taajuudesta.

Maanalaisten verkostojen havaitsemiseen ja kartoittamiseen käytettävien maatutkien aallonpituudet ovat yleensä 100 MHz:n ja 1000 MHz:n välillä ja betonitutkimuksiin käytettävien maatutkien 1 GHz:n ja 3 GHz:n välillä. Geologiassa käytetään myös matalamman taajuuden antenneja, joiden taajuudet ovat 40 MHz:n ja 100 MHz:n välillä.

Matalammat taajuudet pystyvät tunkeutumaan syvemmälle. Esimerkiksi 100 MHz:n taajuusantennilla varustettu maatutka näkee jopa 5 metrin syvyyteen, kun taas 1000 MHz:n taajuusantenni näkee alle metrin syvyyteen.

Koska aallonpituus on pidempi matalammilla taajuuksilla, erotuskyky on pienempi ja vain suuremmat kohteet voidaan havaita. Ohuita kaapeleita tai halkaisijaltaan pieniä putkia ei voida havaita matalan taajuuden antennilla. Korkeammilla taajuuksilla aallonpituus on lyhyempi ja erottelukyky parempi, jolloin pienemmät kohteet, ohuemmat kaapelit ja putket voidaan havaita.

Maatutkailla ei kuitenkaan yleensä ole mahdollista havaita tavanomaisia sähköverkkoja yli kolmen metrin syvyydessä.

Taajuuden lisäksi pinnan dielektrinen permeabiliteetti vaikuttaa aallonpituuteen ja resoluutioon. Mitä korkeampi pinnan dielektrisyysarvo on, sitä lyhyempi aallonpituus ja sitä parempi resoluutio.

Taulukko: Aallonpituus ja resoluutio

Maatutka pystyy paikantamaan kohteen tarkan sijainnin, koska heijastus voi tulla maatutkain vastaanottoantenniin vain tarkasta kohteesta. Tarkkuus, jolla kohde todellisuudessa kartoitetaan, riippuu paikannuslaitteen tarkkuudesta ja maatutkain tietojenkäsittelijän taidoista.

Esimerkiksi maatutkailla voidaan yleensä määrittää maanalaisen verkoston syvyys +/- 10 prosentin tarkkuudella riippuen siitä, kuinka homogeeninen maaperä tutkimusalueella on ja kuinka hyvin maaperän dielektrinen arvo voidaan määrittää. On tärkeää pitää mielessä, että maatutka mittaa syvyyden kohteeseen.