GPR (Ground Penetrating Radar)

Saat ini perkembangan teknologi peralatan untuk mendukung kegiatan survey, pemetaan geologi dan untuk tujuan-tujuan pendeteksian lainnya telah berkembang pesat. Salah satu peralatan tersebut yaitu GPR (Ground Penetrating Radar). Alat ini memancarkan gelombang radar atau gelombang elektromagnetik kedalam tanah yang nantinya akan dipantulkan kembali. Berdasarkan pantulan tersebut dapat dianalisa dan diketahui hal-hal yang berkaitan dengan : struktur tanah/batuan yang sangat berguna untuk survey jalan & runway lapangan terbang, deteksi benda-benda yang ada didalam tanah seperti situs arkeologi, deteksi pipa (air dan gas), deteksi kabel (listrik dan telepon), rongga didalam tanah, penelitian air tanah, mendeteksi senjata atau ranjau, dll. Kegiatan ini dilakukan tanpa harus menyentuh langsung materi yang di deteksi.

Dalam tahun-tahun mendatang berbagai kegiatan survey dan deteksi diperkirakan akan banyak ditopang oleh GPR ini sebagai alat pendeteksi bawah tanah. Penggunaan GPR dengan menggunakan pulsa radar frekuensi tinggi yang dipancarkan dengan antena dari permukaan tanah kedalam tanah dapat mendeteksi keberadaan material dibawah tanah, sehingga dapat diaplikasikan untuk berbagai kepentingan.

Tulisan ini menyajikan informasi teknis di lapangan tentang Aplikasi Teknologi Ground Penetrating Radar (GPR) untuk deteksi struktur tanah / batuan dan material terpendam dengan melaksanakan uji fungsi peralatan. Dengan melalui uji fungsi GPR serta penggunaan teknologi pengolahan lebih lanjut, diharapkan GPR ini dapat meningkatkan kemampuan Balitbang Dephan dalam menunjang kebutuhan peralatan Dephan dan TNI dibidang pendeteksian material di bawah tanah maupun untuk aplikasi lainnya.

GEOFISIKA

Geofisika adalah bagian dari ilmu bumi yang mempelajari bumi menggunakan kaidah atau prinsip-prinsip fisika. Di dalamnya termasuk juga meteorologi, elektrisitas atmosferis dan fisika ionosfer. Penelitian geofisika untuk mengetahui kondisi di bawah permukaan bumi melibatkan pengukuran di atas permukaan bumi dari parameter-parameter fisika yang dimiliki oleh batuan di dalam bumi. Dari pengukuran ini dapat ditafsirkan bagaimana sifat-sifat dan kondisi di bawah permukaan bumi baik itu secara vertikal maupun horisontal. Ilmu geofisika itu sendiri merupakan pengabungan dari matematika, fisika, dan ilmu komputer. Geofisika mempunyai beberapa metode yang digunakan untuk mendeteksi bawah permukaan, diantaranya adalah seismik yang memanfaatkan penjalaran gelombang, GPR yang memanfaatkan radiasi elektromagnetik dalam gelombang mikro (Frekuensi UHF/VHF), VLF (Very Low Frequency) yang memanfaatkan frekuensi radio (3 KHz hingga 30 KHz), Seismik yang memanfaatkan penjalaran gelombang, geolistrik, dan lain- dalam tahapan eksplorasi dapat diminimalisir dan juga memberikan hasil yang lebih optimum.

Dalam skala yang berbeda, metode geofisika dapat diterapkan secara global yaitu untuk menentukan struktur bumi, secara lokal yaitu untuk eksplorasi mineral dan pertambangan termasuk minyak bumi dan dalam skala kecil yaitu untuk aplikasi geoteknik (penentuan pondasi bangunan dll). Bidang kajian ilmu geofisika meliputi meteorologi (udara), geofisika bumi padat dan oseanografi (laut). Beberapa contoh kajian dari geofisika bumi padat misalnya seismologi yang mempelajari gempabumi, ilmu tentang gunungapi atau volcanology, geodinamika yang mempelajari dinamika pergerakan lempeng-lempeng di bumi, dan eksplorasi seismik yang digunakan dalam pencarian hidrokarbon.

Metode-metode geofisika

Secara umum, metode geofisika dibagi menjadi dua kategori yaitu metode pasif dan aktif. Metode pasif dilakukan dengan mengukur medan alami yang dipancarkan oleh bumi. Metode aktif dilakukan dengan membuat medan gangguan kemudian mengukur respons yang dilakukan oleh bumi. Medan alami yang dimaksud disini misalnya radiasi gelombang gempa bumi, medan gravitasi bumi, medan magnetik bumi, medan listrik dan elektromagnetik bumi serta radiasi radioaktifitas bumi. Medan buatan dapat berupa ledakan dinamit, pemberian arus listrik ke dalam tanah, pengiriman sinyal radar dan lain sebagainya.

Secara praktis, metode yang umum digunakan di dalam geofisika tampak seperti tabel di bawah ini:

METODE	PARAMETER YANG DIUKUR	SIFAT-SIFAT FISIKA YANG TERLIBAT
Seismik	Waktu tiba gelombang seismik pantul atau bias, amplitudo dan frekuensigelombang seismik	Densitas dan modulus elastisitas yang menentukan kecepatan rambat gelombang seismik
Gravitasi	Variasi harga percepatan gravitasi bumi pada posisi yang berbeda	Densitas
Magnetik	Variasi harga intensitas medan magnetik pada posisi yang berbeda	Suseptibilitas atau remanen magnetik
Resistivitas	Harga resistansi dari bumi	Konduktivitas listrik
Polarisasi terinduksi	Tegangan polarisasi atau resistivitas batuan sebagai fungsi dari frekuensi	Kapasitansi listrik
Potensial diri	Potensial listrik	Konduktivitas listrik
Elektromagnetik	Respon terhadap radiasi elektromagnetik	Konduktivitas atau Induktansi listrik
Radar	Waktu tiba perambatan gelombang radar	Konstanta dielektrik

GROUND PENETRATING RADAR

Ground Penetrating Radar (GPR) merupakan bagian dari metoda Geofisika Elektromagnetik (EM) domain waktu. Pulsa radio dengan durasi signal pendek ditransmisikan ke bawah (ke tanah) dan kemudian sinyal radio yang kembali (terpantul) direkam.

GPR merupakan sistem radar yang digunakan dalam pendeteksian objek yang terkubur di dalam tanah dengan kedalaman tertentu tanpa harus menggali tanah. GPR juga dapat digunakan untuk mengetahui kondisi dan karakteristik permukaan bawah tanah. Teknologi radar ini memiliki beberapa kelebihan diantara metode geofisika lainnya, yaitu : Biaya operasional lebih murah, resolusi yang sangat tinggi karena menggunakan frekuensi tinggi (broadband atau wideband), Pengoperasian yang cukup mudah dan merupakan metoda non destructive sehingga aman digunakan.

Dalam penerapannya GPR dapat dibagi menjadi: Untuk Pemetaan geologi: menggunakan antenna < 500 MHz dan untuk Rekayasa (Uji tidak merusak): menggunakan antenna > 500 MHz. Metoda GPR menggunakan tanggapan tanah terhadap gelombang EM yang merambat melaluinya. Gelombang EM merupakan gelombang medan yang merambat secara transversal. Gelombang EM terdiri dari dua komponen yang saling tegak lurus yaitu intensitas medan listrik (E) dan intensitas medan magnet (H).

Sifat perambatan gel EM adalah dalam perambatannya medan listrik berosilasi (bergetar) demikian juga dengan medan magnet. Arah getar medan listrik selalu tegak lurus (orthogonal) dengan arah getar medan magnet dan arah perambatan gelombang EM tegak lurus terhadap arah getar dari medan listrik dan medan magnet.

Penerapan pada geologi dan geoteknik : Medium (tanah atau batuan) dapat bersifat konduktif (misalnya lempung, daerah air asin) atau dapat bersifat resistif (misalnya pasir) maka gelombang radar akan bersifat difusif (amplitudo gelombang cepat meluruh) atau bersifat gelombang (amplitudo gelombang dapat merambat dalam jarak yang jauh).

Setelah menempuh jarak tertentu, amplitudo gelombang radar mengalami peredaman (atenuasi). Amplitudo gelombang dapat ditulis:

• E = E0 exp (-ax)

• a = koefisien atenuasi

Faktor-faktor yang mempengaruhi amplitudo: Amplitudo gelombang radar mengalami peluruhan (atenuasi) karena:

a. Geometrical spreading (penyebaran geometris),

b. Hamburan energi karena ketidak homogenan medium,

c. Pantulan energi pada bidang batas medium,

d. Penyerapan energi (Atenuasi) (perubahan energi gelombang menjadi panas) (Paling besar),

e. Rugi akibat antenna.

Sedangkan kedalaman tembus efektif dapat dilihat apakah suatu target memberikan tanggapan yang dapat dideteksi alat GPR, yang bergantung kepada: Sifat fisis dari target (kontras dielektrik target dan sekitarnya), rugi yang terjadi dalam perambatannya, Kuat dari antenna pemancar dan Frekuensi dari antenna.

Resolusi vertikal adalah pemisahan vertikal minimum yaitu jarak antara dua pemantul berdekatan yang masih bisa dibedakan oleh alat GPR. Resolusi vertikal (pemisahan minimum) adalah sekitar l/4. Semakin tinggi frekuensi suatu antenna, semakin tinggi resolusi vertikal, akan tetapi kedalaman tembus efektif berkurang.

Panjang gelombang (l) dapat dihitung l = kecepatan gel radar pada medium/(frekuensi tengah antenna). Umumnya sinyal radar terdiri dari beberapa pulsa (akibat coupling antenna dan tanah). Sehingga menyulitkan interpretasi dan menurunkan resolusi vertikal.

Profiling pantulan radar: Transmitter dan receiver antenna yang berjarak sama digerakkan diatas tanah untuk merekam pantulan yang terjadi. Umumnya dilakukan stacking yaitu dilakukan beberapa kali pemancaran gel radar dan kemudian dijumlahkan. Beberapa rekaman dari beberapa titik disajikan bersebelahan membentuk profile radargram dengan sumbu jarak dan waktu.

Prinsip Kerja GPR

Pada dasarnya GPR bekerja dengan memanfaatkan pemantulan sinyal. Semua sistem GPR pasti memiliki pengirim (transmitter), yaitu sistem antena yang terhubung ke generator sinyal, dan penerima (receiver), yaitu sistem antena yang terhubung ke unit pengolahan sinyal. Pengirim akan menghasilkan sinyal listrik dengan bentuk, prf (pulse repetition frequency), energi, dan durasi tertentu. pulsa ini akan dipancarkan oleh antena ke dalam tanah. sinyal ini akan mengalami atenuasi dan cacat sinyal lainnya selama perambatannya di tanah. Jika tanah bersifat homogen, maka sinyal yang dipantulkan akan sangat kecil. Jika sinyal menabrak suatu inhomogenitas di dalam tanah, maka akan ada sinyal yang dipantulkan ke antena penerima. Sinyal ini kemudian diproses oleh penerima.

Kedalaman objek dapat diketahui dengan mengukur selang waktu antara pengiriman dan penerimaan sinyal. Dalam selang waktu ini, sinyal akan bolak balik dari antena ke objek dan kembali lagi ke antena. Jika selang waktu dinyatakan dalam t, dan kecepatan propagasi gelombang elektromagnetik dalam tanah v, maka kedalaman objek yang dinyatakan dalam h adalah :

Untuk mengetahui kedalaman objek yang dideteksi, kecepatan perambatan dari gelombang elektromagnetik haruslah diketahui. Kecepatan perambatan tersebut tergantung kepada kecepatan cahaya di udara, konstanta dielektrik relatif medium perambatan.

SISTEM PERALATAN DIGITAL GROUND PENETRATING RADAR

Mula-mula sinyal sinyal dihasilkan oleh generator sinyal (Source & Modulation), kemudian dipancarkan melalui antena pemancar (Transmitted Signal). Sinyal mengenai objek dan dan dipantulkan kembali (Reflected Signal) ke antena penerima (Receiver), lalu melewati proses sampling, pengolahan hasil collect data disimpan (Data Storage), kemudian sinyal-sinyal di proses (Signal Processing) lalu memasuki tahap display dimana kita dapat melihat citra hasil survey dan terakhir pengolahan data berupa A-Scan, B-Scan, maupun C-Scan sehingga didapatkan informasi mengenai objek yang dideteksi.

Hasil Citra bawah permukaan digambarkan dalam bentuk amplitudo gelombang (Radargram Display). Amplitudo ini menggambarkan perubahan cepat rambat gelombang pada benda terpendam maupun sedimen tertutup. Material yang dipendam mempunyai cepat rambat gelombang yang lebih tinggi daripada sedimen penutupnya. Tampilan profil yang tampak dilayar monitor berupa irisan suatu lapisan demi lapisan seperti kue lapis legit yang disayat vertikal. Bila di sepanjang garis penyisiran terdapat rongga atau obyek tertentu, akan tampak perbedaan nyata pada citra berbeda rona atau kontras.

Sekitar tahun 1997, seorang ilmuwan malaysia yang bernama M.H. Loke mengembangkan sebuah software yang dikenal dengan Res2Dinv, dengan software ini maka akan memudahkan dalam proses interpretasi bawah permukaan. seiring dengan perkembangan ilmu dan teknologi maka muncullah sebuah alat yang biasa disebut dengan geoscanner yang memudahkan dalam pengambilan data geolistrik/resistivitas, dengan menggunakan geoscanner maka waktu yang diperlukan dalam pengambilan data lapangan menjadi lebih singkat.

UJI FUNGSI GPR

Komponen dari radar sistem GPR yang digunakan oleh penulis untuk melasanakan uji fungsi mendeteksi struktur tanah/batuan dan material terpendam adalah sebagai berikut :

1. Professional Explorer (PROEX) + Optical Module Merk MALA, Meliputi : PROEX Control Unit, PROEX Module – Optical, LI-ION Battery 12 Volt, LI-ION Battery Charger 12 V / 110-220 V, 15 PIN, Ethernet Cable 1,2 M Black, Ethernet Cable 3,0 M Black, Service KIT, MALA Software Package (Ground Vision 2), Shipping Case untuk PROEX Control Unit.

2. 100-800 MHz Shielded Antenna Electronics untuk Control Unit dan PROEX, meliputi : 100-800 MHz Shielded Electronics unit 12V, Multi Fibre Cable (3 M) untuk 100-800 MHz Shielded Antenna Electronics, Battery Pack 12 V, Battery Charger 12 V/ 110-220 V

3. 100 MHz Shielded Antenna, Distance Measuring Wheel ( 300 MM), Penarik atau Tow Handle untuk 100 MHz Antenna.

4. Laptop HP PAVILION DV4-1235TX, meliputi :

Intel Core 2 Duo Processor, T6600-2,2 GHZ, 2048 MB DDR2, 250 GB HDD (5400 RPM), 14,1 “Diagonal Wide Bright View Infinity, Light Scribe Supermulti DVD + RW DL, Support Integrated Bluetooth, 5-IN-1 Card Reader Integrated HP Webcam, NVIDIA GEforce 9200 MGS dengan Windows Vista Premium

Uji fungsi tentang “ Ground Penetrating Radar ” dengan pelaksanaan sebagai berikut : Uji fungsi dilaksanakan di Balitbang Dephan diawali dengan menginstalasi peralatan GPR dengan langkah-langkah sebagai berikut :

a. Memasang roda Distance Measuring Wheel ( 300 MM), Penarik atau Tow Handle untuk 100 MHz Antenna.

b. Kemudian dilanjutkan ke bagian 100-800 MHz Shielded Antenna Electronics untuk Control Unit dan PROEX, meliputi : 100-800 MHz Shielded Electronics Unit 12V, Multi Fibre Cable (3 M) untuk 100-800 MHz Shielded Antenna Electronics,Battery Pack 12 V

c. dilanjutkan dengan menginstalasi PROEX Control Unit, yang terdiri dari PROEX Module – Optical, LI-ION Battery 12 Volt, Ethernet Cable 1,2 M Black,

d. menginstal MALA Software Package (Ground Vision 2).

e. Lalu menghubungkan Ethernet Cable ke Laptop HP PAVILION DV4-1235TX dan

f. menghidupkan Tombol Power untuk mulai dilakukan operasi pelacakan pendeteksian struktur tanah/batuan dan material terpendam dilingkungan Balitbang Dephan.

Pemetaan dilaksanakan dengan menggunakan sumber sinyal gelombang radar (GPR 100 MHz) yang dipancarkan dengan antena transmitter dari permukaan ke dalam tanah. Sinyal mengenai objek dan dan dipantulkan kembali (Reflected Signal) ke antena penerima (Receiver), lalu melewati proses sampling, pengolahan hasil collect datadisimpan (Data Storage), kemudian sinyal-sinyal di proses (Signal Processing) lalu memasuki tahap display dimana kita dapat melihat citra hasil survey dan terakhir pengolahan data berupa A-Scan, B-Scan, maupun C-Scan sehingga didapatkan informasi mengenai objek yang dideteksi. Hasil Citra bawah permukaan digambarkan dalam bentuk amplitudo gelombang (Radargram Display). Amplitudo ini menggambarkan perubahan cepat rambat gelombang pada benda terpendam maupun sedimen tertutup. Material yang dipendam mempunyai cepat rambat gelombang yang lebih tinggi daripada sedimen penutupnya. Tampilan profil yang tampak dilayar monitor laptop dengan menggunakan MALA Software (GroundVision2) akan terlihat berupa irisan suatu lapisan struktur tanah/batuan dan material terpendam yang digunakan dalam proses interpretasi bawah permukaan. Bila di sepanjang garis penyisiran terdapat rongga atau obyek tertentu, akan tampak perbedaan nyata pada citra berbeda rona atau kontras. Namun untuk mendapatkan informasi mengenai objek yang dideteksi perlu dilakukan pengolahan data lebih lanjut yang hasilnya nanti berupa A-Scan, B-Scan, maupun C-Scan. Software pengolahan data yang dapat digunakan misalnya Mala Object Mapperyang dapat menampilkan 10 profil sekaligus dan dapat menghilangkan tugas/kegiatan dalam menginterpretasi profil yang memakan waktu dan tidak efisien. Obyek MALA Mapper dapat memproses beberapa data set dari arah yang berbeda dengan garis-garis dasar yang berbeda untuk kemampuan interpretasi maksimum.

KESIMPULAN.

a. Melalui Uji fungsi GPR yang dilaksanakan dengan aman dan lancar dapat diketahui informasi tentang Aplikasi Teknologi Ground Penetrating Radar (GPR) untuk deteksi struktur tanah / batuan dan material terpendam serta dapat bermanfaat bagi personel Balitbang Dephan.

b. GPR 100 MHz dengan antenna shielded memiliki pulsa radar frekuensi tinggi untuk mendeteksi material bawah tanah yang dipancarkan dari permukaan ke dalam tanah serta dapat diaplikasikan untuk berbagai kegiatan.

c. Tampilan profil yang tampak dilayar monitor laptop dengan menggunakan MALA Software (GroundVision2) berupa irisan suatu lapisan struktur tanah/batuan dan material terpendam yang digunakan dalam proses interpretasi bawah permukaan. Sedangkan untuk mendapatkan informasi mengenai objek yang dideteksi perlu dilakukan pengolahan data lebih lanjut.

SARAN.

a. Mengingat GPR ini sangat bermanfaat, penggunaan dan pemanfaatan alat ini perlu disosialisasikan ke Satker Dephan lainnya dan Mabes TNI serta instansi lain yang terkait guna menunjang kegiatan survey struktur tanah/batuan dan pendeteksian lainnya.

b. Perlunya pembinaan pendidikan dan pelatihan SDM dalam mengoperasikan GPR serta melibatkan seluruh institusi terkait untuk mencari peluang kerja sama di dalam pengembangan GPR untuk kepentingan pertahanan negara.

Oleh : Eko Joko Murwanto, S.Kom Bagdatin Set Balitbang Dephan