LAPORAN

PENELITIAN KOMPETITIF UNGGULAN PERGURUAN TINGGI (PKUPT)

PENGEMBANGAN APLIKASI DIGITAL SIGNAL

PROCESSING PADA RADAR PENEMBUS TANAH

(GROUND PENETRATING RADAR)

TIM PENELITI

Ketua Peneliti : Dr. Baso Maruddani NIDN: 0002058301 Anggota Peneliti : Dr. Efri Sandi NIDN: 0002027508

UNIVERSITAS NEGERI JAKARTA

2018

Bidang Ilmu: Teknik

ii

HALAMAN PENGESAHAN

Judul Penelitian : Pengembangan Aplikasi Digital Signal Processing pada

Radar Penembus Tanah (Ground Penetrating Radar)

Ketua Peneliti

a. Nama Lengkap : Dr. Baso Maruddani, S.T., M.T.

b. NIDN : 198305022008011006

c. Jabatan Fungsional : Lektor

d. Program Studi : Pendidikan Teknik Elektronika

e. Nomor HP : 08118058450

f. Alamat Surel : basomaruddani@unj.ac.id

Anggota Peneliti

a. Nama Lengkap : Dr. Efri Sandi, M.T.

b. NIDN : 197502022008121002

c. Jabatan Fungsional : Lektor

d. Program Studi : Pendidikan Teknik Elektronika

e. Nomor HP : 081212409609

f. Alamat Surel : efri.sandi@unj.ac.id

Lama Penelitian Keseluruhan : 7 (tujuh) Bulan

Biaya Penelitian Keseluruhan : Rp. 50.000.000

Mengetahui,

Dekan Fakultas Teknik UNJ

Dr. Agus Dudung, M.Pd.

NIP. 196508171991021001

Jakarta, 10 Desember 2018

Ketua Peneliti,

Dr. Baso Maruddani, S.T., M.T.

NIP. 19830502 200801 1 006

Menyetujui,

Ketua

Lembaga Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat

Universitas Negeri Jakarta

Dr. Ucu Cahyana, M.Si

NIP. 19660820 199403 1 002

iii

RINGKASAN

Ground Penetrating Radar (GPR) atau Radar Penembus Tanah adalah salah satu jenis radar yang sering digunakan untuk mengetahui kondisi di dalam/di bawah suatu permukaan. GPR juga umumnya digunakan sebagai alat evaluasi bahan karena bersifat non destructive testing, NDT. Salah satu bagian yang terpenting dari Central Processing Unit yang akan mengolah hasil bacaan dari radar. Sinyal pantulan yang diterima oleh antenna radar kemudian diolah untuk mengetahui benda apa saja yang terdapat di bawah permukaan tanah tersebut. Semakin bagus proses pengolahan sinyal, maka semakin tepat radar menginterpretasi sinyal yang diterima.

Frekuensi kerja suatu sistem GPR sangat bervariasi, bergantung dengan aplikasi/implementasi di lapangan. Untuk aplikasi pada benda concrete/beton berbeda dengan benda pasir atau tanah. Begitu pula dengan resolusi yang didapatkan dari penggunaan GPR. Resolusi yang didapatkan pada frekuensi rendah lebih rendah dibandingkan resolusi jika GPR menggunakan frekuensi yang lebih tinggi. Namun jangkauan untuk frekuensi rendah lebih jauh dibandingkan jangkauan jika menggunakan frekuensi yang lebih tinggi. Oleh karena hal tersebut, maka diperlukan fleksibilitas digital signal processing yang dapat digunakan pada berbagai macam frekuensi, baik frekuensi rendah maupun frekuensi yang lebih tinggi karena perambatan sinyal dan pantulan sinyal akan berbeda untuk sinyal pada frekuensi tinggi dengan frekuensi rendah.

Penelitian ini bertujuan untuk mendesain sebuah sistem digital signal processing yang cukup mampu menginterpretasi sinyal yang diterima untuk dapat dengan tepat mengetahui benda yang terdapat dalam tanah tersebut. Sistem digital signal processing ini diharapkan dapat bekerja pada berbagai macam frekuensi sehingga aplikasinya bias menjadi beragam. Tahapan pada penelitian ini adalah mendesain dan memodifikasi sistem signal processing dan kemudian menguji performa dari sistem yang didesain.

Kata kunci: Radar, GPR, digital signal processing, ultra wideband,

interpretasi

iv

KATA PENGANTAR

Dengan mengucapkan syukur dan Alhamdulillah atas kehadirat Allah SWT

atas segala rahmat dan hidayah-Nya yang telah dilimpahkan kepada penulis,

sehingga penyusunan laporan penelitian kompetitif unggulan perguruan tinggi

dengan judul “Pengembangan Aplikasi Digital Signal Processing pada Radar

Penembus Tanah (Ground Penetrating Radar)” ini dapat diselesaikan.

Kiranya usaha penyusunan laporan disertasi ini tidak mungkin akan berhasil

tanpa adanya bantuan yang penulis peroleh baik dari segi moril maupun materiil.

Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih dan

penghargaan setinggi- tingginya kepada yang terhormat :

1. Dr. Ucu Cahyana selaku Kepala Lembaga Penelitian dan Pengabdian kepada

Masyarakat UNJ

2. Dr. Agus Dudung selaku Dekan Fakultas Teknik UNJ

3. Keluarga besarku, kedua orang tuaku, Etta Sia dan Etta Ali, mertuaku Mama

dan almarhum Papa, istriku Rahmi dan kedua anakku, Barra Alfaputra

Maruddani dan Dandra Betaputra Maruddani.

4. Seluruh dosen dan staf Rumpun Teknik Elektro, Fakultas Teknik UNJ.

5. Dan seluruh pihak yang namanya tidak disebutkan satu-per-satu yang telah

membantu penulis untuk menyelesaikan penelitian ini.

Dengan harapan semoga Allah SWT menerima amal dan kebaikan serta

selalu melimpahkan taufik dan hidayah-Nya. Amin.

Penulis menyadarai sepenuhnya bahwa laporan penelitian ini masih jauh

dari sempurna. Untuk itu, kritik dan saran yang bersifat membangun demi

kesempurnaan laporan penelitian ini akan penulis terima dengan senang hati.

Semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi para pembaca.

Jakarta, Desember 2018

Penulis

v

DAFTAR ISI

HALAMAN PENGESAHAN ................................................................................. ii

RINGKASAN ........................................................................................................ iii

KATA PENGANTAR ........................................................................................... iv

DAFTAR ISI ........................................................................................................... v

BAB I PENDAHULUAN ....................................................................................... 7

I.1 Latar Belakang ..................................................................................... 7

I.2 Tujuan Penelitian.................................................................................. 8

I.3 Urgensi (Keutamaan) Penelitian .......................................................... 8

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................... 10

II.1. Prinsip Kerja Radar Penembus Tanah (Ground Penetrating

Radar)................................................................................................. 14

II.2. Refleksi ................................................................................................ 17

II.3. Clutter .................................................................................................. 18

II.4. Dispersi ................................................................................................ 18

II.5. Jangkauan Dinamis ............................................................................ 19

II.6. Lebar Pita ........................................................................................... 20

II.7. Pemodelan Sinyal ............................................................................... 21

II.8. Frekuensi material GPR ....................................................................... 22

II.9. Tanah .................................................................................................... 22

II.10. Air ...................................................................................................... 24

II.11. Kontaminasi tanah.............................................................................. 25

II.12. Bukit pasir .......................................................................................... 26

II.13. Pesisir ................................................................................................. 26

II.14. Glasial ................................................................................................ 27

vi

II.15. NDT Transportation (Non-Destructive Testing

Transportation) ................................................................................... 27

BAB III TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN .......................................... 30

BAB IV METODOLOGI PENELITIAN ............................................................. 32

IV.1 Desain Penelitian ................................................................................. 32

IV.2 Instrumen Penelitian ............................................................................ 32

BAB V HASIL PENELITIAN DAN ANALISIS ................................................. 34

V.1. Proses Persiapan Data .......................................................................... 34

V.2. Proses Pengolahan Data ....................................................................... 38

V.2.1. Proses Dewow dan Time Zero Correction ............................... 38

V.2.2. Meningkatkan Gain pada Data ................................................. 42

BAB VI KESIMPULAN DAN SARAN .............................................................. 50

VI.1. Kesimpulan ......................................................................................... 50

VI.2. Saran ................................................................................................... 50

DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 52

LAMPIRAN .......................................................................................................... 54

Lampiran 1. Publikasi (1) ............................................................................ 54

Lampiran 2. Publikasi (2) ............................................................................ 62

Lampiran 3. Biodata Peneliti ....................................................................... 69

7

BAB I

PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang

Aplikasi untuk sistem komunikasi wireless sangatlah beragam. Radar

merupakan salah satu aplikasinya, dimana pemancar dan penerima berada di satu

tempat yang sama. Radar penembus tanah/permukaan, yang lebih dikenal dengan

Ground Penetrating Radar (GPR) merupakan suatu sistem komunikasi nirkabel

yang digunakan untuk melihat benda benda di bawah permukaan tanah maupun di

balik dinding. GPR dapat “melihat” menembus tanah dengan cara mengirimkan

sinyal/gelombang elektromagnetik ke suatu objek dan kemudian menerima sinyal

pantulan dari sinyal yang dikirimkan tadi dan merekonstruksi sinyal pantul tersebut.

Cara merekontruksi sinyal pantulnya adalah dengan mengolah sinyal pantul

menjadi sebuah citra/gambar. Desain GPR sangat bergantung pada aplikasi yang

akan digunakan. Oleh karenanya, GPR untuk “melihat” permukaan dalam berbeda

dengan GPR untuk melihat permukaan dangkal.

GPR memiliki aplikasi yang sangat luas, diantaranya untuk geologi,

arkeologi, teknik sipil, uji-tak-merusak (Non-denstruktif testing, NDT) serta dalam

bidang pertahanan dan keamanan. Pemilihan frekuensi kerja antena yang digunakan

pada perangkat GPR bergantung pada aplikasi yang digunakan, sebab setiap antena

memiliki pola radiasi dan beberapa karakteristik tertentu yang mempengaruhi

intrepretasi akhir pada hasil pembacaan GPR (Pérez-Gracia, González-Drigo, Di

Capua, & Pujades, 2007). Beberapa penelitian telah dilakukan (Shao, Fang, Ji, Tan,

& Yin, 2013), (Mohamed, Elsadek, & Abdallah, 2012), (Yildiz, Uysal, & Ozen,

2016) untuk meningkatkan akurasi dari hasil pembacaan sistem GPR dan

pengembangan model antena yang digunakan. Desain antena juga telah

dibandingkan secara komprehensif pada (Ali, Abdullah, Yusof, Mohd, & Mohd,

2017). Dijelaskan pada (Ali et al., 2017), bahwa frekuensi kerja antena, gain antena

dan impedansi antena diujikan untuk mengetahui kecocokan dengan aplikasi GPR

yang diimplementasikan.

8

Gambar 1. Contoh hasil pembacaan GPR (Jol, 2008)

I.2 Tujuan Penelitian

Tujuan elitian ini adalah untuk mengembangkan sebuah aplikasi pengolahan

sinyal digital (digital signal processing) pada data GPR untuk menginterpretasikan

dengan benar benda/ lapisan di bawah permukaan.

I.3 Urgensi (Keutamaan) Penelitian

Sistem DSP yang akan digunakan pada sistem GPR sangat mementukan hasil

pembacaan data GPR. Proses filtering, time zero correction, velocity analysis, depth

correction, time gain, deconvolution dan migration adalah sebuah langkah –

langkah yang penting dalam pengolahan data GPR.

Oleh karena itu, urgensi/keutamaan penelitian ini adalah bagaimana

mendesain sebuah sistem proses yang mengolah sinyal pantul radar sehingga dapat

9

menginterpretasi dengan tepat benda yang terdapat di bawah permukaan tanah dan

bekerja pada lebar pita yang cukup lebar sehingga dapat digunakan pada berbagai

macam jenis GPR. Ringing yang menjadi salah satu masalah pada sinyal pantul

digital dapat diminimalkan dengan menggunakan sistem pemroses sinyal yang

didesain pada penelitian ini.

10

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Ground Penetrating Radar (GPR) adalah salah satu dari sejumlah metode

geofisika penginderaan jauh yang dimanfaatkan oleh para peneliti untuk

mempelajari dan mengetahui segala sesuatu yang berada di bawah permukaan yang

dipadukan dengan metode lain seperti magnetometry, tahanan listrik, dan

konduktivitas elektromagnetik. GPR beroperasi dengan cara yang sama seperti

sistem radar navigasi, yaitu mengirimkan pulsa gelombang 'radar' elektromagnetik

(EM) ke dalam tanah untuk mengidentifikasi bentuk, ukuran, dan lokasi dari fitur

yang berada di bawah permukaan. Ketika gelombang elektromagnetik yang

ditransmisikan menembus lapisan material bawah permukaan, sifat-sifat

gelombang berubah, dan bagian dari gelombang dipantulkan kembali ke

permukaan, dimana data pada amplitudo gelombang, panjang gelombang, dan

waktu perjalanan yang dua arah dikumpulkan untuk analisis. Data dikumpulkan

dalam penyimpanan data jejak, yang masing-masing dapat menampilkan total

gelombang dari semua gelombang dikumpulkan di satu lokasi permukaan. Ketika

diatur dalam posisi relatif antar satu gelombang dengan gelombang lain,

serangkaian jejak dapat menghasilkan sejumlah jenis gambar yang menunjukkan

variasi pada sifat/benda di bawah permukaan dalam dimensi vertikal dan horisontal

(Jol, 2008).

Adanya berbagai lossy lingkungan bahan dielektrik dikombinasikan dengan

spektrum frekuensi radio yang luas mengarah ke berbagai aplikasi GPR.

Metodologi yang sama dapat diterapkan untuk glasiologi dan uji tak rusak struktur

beton; skala spasial aplikasi bervariasi dari kilometer ke cm. Bentuk yang paling

umum dari pengukuran GPR menyebarkan pemancar dan penerima dalam geometri

tetap, yang pindah permukaan untuk mendeteksi refleksi dari fitur bawah

permukaan. Dalam beberapa aplikasi, transiluminasi dari volume diselidiki lebih

berguna. Kedua konsep digambarkan dalam Gambar 2. Contoh dari respon GPR

ditunjukkan pada Gambar 3.

11

Penggunaan gelombang radio terdengar bumi itu dimaksud selama puluhan

tahun sebelum hasil yang diperoleh pada tahun (Jol, 2008). Demonstrasi Waite dari

lapisan es terdengar dengan altimeter radar pesawat mengarah ke radio gema

terdengar di banyak lokasi di seluruh dunia. Dari awal ini, ada transisi bertahap dari

konsep untuk tanah terdengar dan batu, yang dimulai pada tahun 1960, dan sejak

itu terus.

Dari hari-hari awal, aplikasi telah menjamur, pengetahuan kita tentang fisika

dasar telah berkembang di pesat, dan sifat pemahaman materi telah berkembang.

Sebuah ringkasan sejarah singkat diberikan oleh (Annan, 2002). diskusi yang

sangat baik dari penggunaan GPR untuk stratigrafi geologi dapat ditemukan pada

(Jol, 2008) dan untuk hidrogeologi di (Rubin & Hubbard, 2005).

Gambar 2. Ground Penetrating Radar (GPR) menggunakan gelombang radio untuk menyelidiki bawah permukaan bahan dielektrik lossy.

Dua mode pengukuran yang umum. Pada bagian pertama, tercermin atau

energi yang tersebar terdeteksi. Dalam kedua, efek onenergy ditularkan melalui

thematerial diamati.

12

Gambar 3. GPR penampang diperoleh dengan sistem 50-MHz melintasi lebih dari dua terowongan jalan. Tanah menembus amplitudo sinyal radar ditampilkan

sebagai fungsi dari posisi (sumbu horisontal) dan waktu perjalanan (sumbu

vertikal).

13

Dua faktor yang mempengaruhi keberhasilan survei GPR: (1) parameter

pengumpulan data digunakan, yang mengendalikan sifat-sifat gelombang EM yang

disebarkan dan (2) cara di mana pantulannya yang digabungkan di permukaan; dan

properti dari lapisan tanah yang dilalui oleh gelombang elektromagnetik. Setiap

perubahan dalam sifat fisik atau kimia lapisan di bawah permukaan (misalnya,

kadar air, pemadatan, kehadiran bahan konduktif seperti logam, garam larut, dan

beberapa tanah liat) dapat mempengaruhi sifat-sifat gelombang EM di tanah, seperti

kecepatannya , amplitudo, dan panjang gelombang (Jol, 2008). GPR memberikan

hasil terbaik jika benda yang menjadi target sasaran berukuran besar, dekat

permukaan, dan sangat kontras dengan matriks sekitarnya homogen.

GPR telah menjadi pilihan yang semakin populer untuk penelitian benda di

bawah permukaan untuk sejumlah alasan. Ini dapat dipersempit ke empat manfaat

utama: sifat yang non-destruktif; kemampuannya untuk memaksimalkan efisiensi

penelitian dan meminimalkan biaya; kemampuannya untuk menutupi area yang

luas dengan cepat; dan data tiga dimensi berkualitas tinggi. Karena merupakan

metode penginderaan jauh, GPR sepenuhnya non-invasif dan tidak merusak,

berbeda dengan metode 'tradisional' penggalian, yang secara inheren merusak. GPR

juga memiliki potensi untuk meningkatkan efisiensi penelitian. Dibandingkan

dengan 'tradisional' metode penggalian, survei GPR dilakukan dengan cepat dan

dengan biaya yang relatif rendah. Ketika digunakan sebagai metode prospeksi, GPR

dapat membantu dalam mengidentifikasi daerah yang sangat potensial bagi

penggalian masa depan (atau sebaliknya, mengidentifikasi area potensial rendah

yang harus dihindari), sehingga memaksimalkan pengumpulan data yang relevan

dan meminimalkan waktu dan biaya. Karena menjadi suatu metode penelitian yang

sangat-efisien, GPR juga dapat digunakan untuk menutupi daerah yang lebih besar

dari penggalian (survei GPR sering dapat menutupi beberapa ratus meter persegi

atau lebih dalam satu hari). Ketika dilakukan bersama penggalian arkeologi, GPR

dapat membantu untuk menempatkan data penggalian ke situs yang lebih luas dan

konteks lingkungan dengan interpolasi antara daerah digali. Hal ini membuat GPR

14

sangat cocok untuk menangani pertanyaan-pertanyaan arkeologi di tingkat situs dan

di tingkat regional, misalnya, yang menyangkut isu-isu ruang, tempat, dan

perubahan organisasi sosial dari waktu ke waktu.

Akhirnya, GPR menghasilkan resolusi tinggi tiga-dimensi data yang sesuai

untuk menangani pertanyaan-pertanyaan antropologis pergi sejauh untuk

menunjukkan bahwa kemampuan resolusi GPR adalah resolusi tinggi ini data yang

tiga dimensi dapat dengan mudah diintegrasikan dengan data yang dikumpulkan

oleh geofisika lainnya “jauh lebih besar dari yang diperoleh dengan metode

geofisika lainnya.” metode, penggalian arkeologi, dan peta survei permukaan dalam

sistem informasi geografis.

II.1. Prinsip Kerja Radar Penembus Tanah (Ground Penetrating Radar)

Pada sistem radar yang konvensional, karakteristik media perambatan yang

dilalui oleh sinyal radar biasanya tidak dipengaruhi oleh redaman hujan, redaman

oleh atmosfer atau ion pada lapisan atmosfer. Hal tersebut berbeda dengan sistem

GPR karena ada kemungkinan media transmisi bersifat nonisotropis dengan

konstanta dielektrik yang tinggi dan juga redaman yang tinggi. Oleh karena itu,

karakteristik tanah dan material tempat sinyal merambat sangat penting untuk

dipahami. Persamaan Maxwell adalah persamana yang menjadi dasar untuk

menghitung perambatan gelombang elektromagnetik pada medium tertentu. Pada

ruang bebas, permitivitas listrik dan suseptibilitas magnet bernilai konstan, dengan

pengertian bahwa kedua variabel tersebut independen terhadap frekuensi dan

medium juga tidak dispersif. Pada dielektrik tertentu dengan rugi-rugi tangen

bernilai nol, artinya tidak ada rugi-rugi yang ditimbulkan akibat redaman, sehingga

redaman yang biasanya terjadi pada bahan dielektrik tidak akan ada. Parameter-

parameter elektromagnetik benda yang terkubur dalam tanah (benda yang menjadi

target radar) berbeda dengan tanah/pasir yang menutupinya/menimbunnya

sehingga berarti bahwa perbedaan permitivitas relatif target yang ingin dicari harus

signifikan lebih kecil atau lebih besar dari tanah. Pada umunya, tanah memiliki

konstanta dielektrik dengan nilai berkisar antara 2 sampai 25 (Huber & Hans, 2018).

15

Konstanta dielektrik air tawar memiliki nilai sekitar 80. Hal yang perlu diperhatikan

adalah tanah dan permukaan sangat mungkin tidak homogen dan berisi batu karang

dengan berbagai ukuran. Selain karang, sangat mungkin tanah dan permukaan tanah

berisikan puing-puing bangunan atau sejenisnya. Oleh karena tanah yang tidak

bersifat homogen tersebut, nilai signal to clutter menjadi faktor yang penting dalam

untuk mengetahui kinerja sistem. Clutter adalah pantulan dari sinyal radar yang

tidak diinginkan yang mungkin saja berasal dari antarmuka tanah-udara, pantulan

berulang antara antena dan tanah, pantulan pada sisi sidelobe antena, dan bisa

diakibatkan karena diskontinuitas tanah seperti batu, kerikil, atau rumput.

Perambatan sinyal gelombang elektromagnetik pada suatu medium secara

otomatis akan mengalami rugi-rugi, baik rugi rugi pada komponen medan listrik

maupun rugi-rugi pada medan magnet. Rugi-rugi ini menyebabkan terjadinya

redaman pada gelombang elektromagnetik. Pendekatan yang cukup pas untuk

menganalisis perilaku sebuah sinyal atau gelombang secara praktis adalah pada

gelombang datar. Bentuk gelombang elektromagnetik yang lebih kompleks dapat

dianggap sebagai superposisi dari gelombang datar, dan metode ini dapat digunakan

untuk memperoleh informasi tentang situasi yang lebih kompleks. Pada beberapa

jenis tanah, respon magnetik lemah dan tidak perlu diperhitungkan adalah suatu hal

yang menarik dalam GPR, berbeda dengan permitivitas, dan konduktivitas. Namun,

pada beberapa jenis tanah lainnya, parameter respon magnetik perlu diperhitungkan

misalnya untuk jenis tanah yang berasal dari batu vulkanik atau tanah yang kadar

besinya tinggi,. Pada kasus material dielektrik yang bersifat lossy, efek konduksi

maupun sifat dielektrik akan menyebabkan penyerapan radiasi elektromagnetik.

16

Gambar 4. Level sinyal terima terhadap frekuensi (Severns, 2005)

Parameter elektromagnetik pada suatu bahan pada sistem GPRS di atas dapat

dijelaskan dalam konstanta propagasi kompleks:

𝛾 = 𝛼 + 𝑖𝛽

dimana

𝛾 = konstanta propagasi

𝛼 = konstanta redaman (𝑛𝑒𝑝𝑒𝑟/𝑚)

𝛽 = konstanta fasa (𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛/𝑚)

Persamaan medan listrik pada jarak 𝑧 dari sumber dapat dituliskan sebagai:

17

𝐸(𝑧, 𝑡) = 𝐸(0). 𝑒(𝛼+𝑗𝛽). 𝑒𝑗𝜔𝑡

II.2. Refleksi

Untuk mengestimasi level sinyal yang diterima (received signal level, RSL),

koefisien pantul dan transmisi adalah suatu hal yang perlu dipertimbangkan karena

gelombang yang melalui suatu medium dielektrik akan mengenai target dan hukum

Snellius menjelaskan hubungan tersebut, yaitu menjelaskan hal-hal yang terkait

dengan sudut datang, sudut pantul, sudut transmisi, dan sudut bias. Untuk material

yang bersifat lossy, sudut pembiasan yang bernilai kompleks mungkin terjadi dan

berbeda dengan kasus klasik yang sederhana. Selain itu pula, polarisasi dan matriks

Stoke akan diperlukan untuk benda-benda seperti pipa, kabel, dan patahan-patahan.

Impedansi intrinstik 𝜂 suatu medium merupakan hubungan antara medan listrik, 𝐸,

dan medan magnet, 𝐻, dan dinyatakan pada persamaan:

𝜂 = √−𝑗𝜔𝜇

𝜎 − 𝑗𝜔𝜀

Ketika sinyal berpropagasi antara kedua medium tersebut, sebagian daya

sinyal akan dipantulkan dan sebagian akan diteruskan. Kuat medan dari pantulan

sinyal tersebut dituliskan dengan persamaan Γ yaitu:

Γ =𝜂2 − 𝜂1𝜂2 + 𝜂1

dimana

𝜂1 = impedansi medium 1

𝜂2 = impedansi medium 2

Koefisien pantul (Γ) akan bernilai positif ketika 𝜂2 > 𝜂1. Hal tersebut akan

memberikan efek pada bentuk pulsa yang dihasilkan yaitu bentuk pulsa akan

mengubah fasa dari gelombang pantul sehingga benda di dalam tanah yang menjadi

target dengan konstanta dielektrik yang berbeda dengan medium akan

menunjukkan perbedaan fasa pada sinyal pantulan yang diterima. Dan parameter-

18

parameter perambatan lainnya seperti konstanta dielektrik dan rugi-rugi tangen

pada medium, bentuk geometri dari benda yang terkubur dalam tanah (target), dan

parameter-parameter dielektriknya akan mempengaruhi nilai amplitude dari sinyal

pantulan yang diterima.

II.3. Clutter

Salah satu kesulitan terbesar untuk pengoperasian sistem GPR adalah adanya

clutter di dalam bahan. Clutter didefinisikan sebagai sumber pantulan yang tidak

diinginkan yang terjadi pada jendela waktu yang sama dari radar dan memliki

karakter spektrum yang sama dengan target. Definisi clutter sangat bergantung pada

target yang diinginkan. Orang yang menggunakan sistem GPR untuk mencari pipa

mungkin menganggap antarmuka lapisan jalan sebagai clutter, sedangkan orang

yang menggunakan sistem GPR untuk pengukuran ketebalan lapisan jalan mungkin

menganggap pipa dan kabel sebagai sumber clutter. Hal ini perlu diperhatikan

dengan baik karena penting dalam pemilihan sistem operasi dan algoritma

pengolahan sinyal. Clutter dapat mengaburkan target yang terkubur dan

pemahaman yang baik terhadap sumber dan dampaknya pada sistem GPR sangat

penting.

II.4. Dispersi

Parameter suatu dielektrik adalah sebuah parameter yang merupakan fungsi

dari frekuensi sehingga menyebabkan kecepatan fasa pada komponen frekuensi dari

sinyal pita lebar akan memiliki nilai perambatan yang berbeda. Oleh karena itu,

akan terdapat variasi pada kecepatan rambat gelombang yang merupakan fungsi

frekuensi. Hal yang seperti ini dapat dikatakan bahwa medium tersebut memiliki

sifat yang dispersif. Pada situasi ini, berbagai komponen frekuensi dalam pulsa

radar pita sangat lebar akan berpropagasi dengan kecepatan yang berbeda, yang

menyebabkan bentuk pulsa dari sinyal akan berubah terhadap waktu. Karakteristik

proparasi sinyal GPR dengan lebar pita yang sangat lebar pada sebagian besar

material di bumi tidak terpengaruh oleh disperse karena potensi variasi kecepatan

19

propagasi gelombang untuk rentang frekuensi dapat dikatakan cukup kecil sehingga

nilainya dapat diabaikan.

Ada beberapa spesifikasi penting dari suatu GPR yang menentukan

kinerjanya seperti: jangkauan dinamis, lebar pita, resolusi, dan jangkauan tidak

ambigu.

II.5. Jangkauan Dinamis

Sebuah GPR harus memiliki perangkat penerima dengan kemampuan untuk

menangani sinyal yang besar yang berasal dari pantulan benda target dalam tanah

yang posisinya berada pada jarak dekat dari permukaan tanah dan penerima pada

GPR juga harus dapat mendeteksi sinyal dengan level daya yang kecil yang

mendekati noise floor. Perbandingan antara level sinyal dengan daya terbesar yang

dapat diterima dengan level sinya dengan daya terkecil yang dideteksi oleh

perangkat GPR disebut jangkauan dinamis dan dapat diformulasikan sebagai

berikut:

𝐽𝑎𝑛𝑔𝑘𝑎𝑢𝑎𝑛 𝐷𝑖𝑛𝑎𝑚𝑖𝑠 = 20 log𝑉𝑚𝑎𝑘𝑠𝑉𝑚𝑖𝑛

Jangkauan dinamis ini umumnya dinyatakan dalam desibel (dB) dengan lebar

pita tertentu dalam hertz. Level daya sinyal terbesar yang dapat diterima, 𝑉𝑚𝑎𝑘𝑠

(dalam volt), tidak boleh melebihi batas maksimum yang diperbolehkan pada

perangkat penerima dan analog to digital converter. Level daya sinyal minimum

yang dapat dideteksi, 𝑉𝑚𝑖𝑛 (dalam volt), harus di atas level noise penerima dan

memiliki SNR minimum. Pada aplikasi radar umumnya dibutuhkan nilai SNR

sekitar 8 dB (DAVIS & ANNAN, 1989), sedangkan pada radar GPR, 𝑉𝑚𝑖𝑛 harus

memiliki signal-to-clutter ratio (SCR) minimum untuk dapat dideteksi dan

diidentifikasi dalam profil GPR.

Jangkauan dinamis pada sistem GPR akan berefek pada jangkauan

maksimum suatu benda target untuk dideteksi. Umumnya radar akan memiliki

jangkauan dinamis sistem yang lebih besar dibandingkan jangkauan dinamis

sampling. Jangkauan dinamis dalam decibel untuk analog to digital converter

adalah 20 log(2𝑁), dimana N adalah jumlah bit, yang nilainya sekitar N dikalikan

20

dengan 6 dB. Oleh karena itu jangkauan dinamis untuk ADC 16 bit akan memiliki

nilai secara teori sebesar 96 dB.

II.6. Lebar Pita

Pada GPR lebar pita adalah selisih antara frekuensi atas, 𝑓𝑚𝑖𝑛, dan frekuensi

bawah, 𝑓𝑚𝑖𝑛, namun bisa juga didapatkan dengan mengalikan jumlah step dengan

frekuensi step size. Lebar pita akan menentukan resolusi jarak. Lebar pita bisa

dituliskan sebagai:

𝐵 = 𝑓𝑚𝑎𝑘𝑠 − 𝑓𝑚𝑖𝑛

Secara teori, sinyal pantulan radar dianggap berasal dari sebuah benda target

pada jarak tertentu. Namun dalam praktikalnya, banyaknya lapisan pada tanah akan

menyebabkan terjadinya banyak pantulan. Hal tersebut menyebabkan kombinasi

dari sinyal yang dipantulkan pada waktu yang berbeda dan amplitudanya bervariasi.

Radar memiliki kemampuan untuk membedakan jarak antara dua benda target yang

berdekatan dan kemampuan ini disebut sebagai resolusi jarak, 𝑅𝑟𝑒𝑠. Dua buah

benda target (atau pulsa) yang terpisah dalam kawasan waktu dapat dibedakan jika

selubung dari pantulan transiennya jelas terpisah. Secara umum, titik setengah daya

(-3 dB dalam daya atau -6 dB dalam tegangan) dari sinyal pantul digunakan sebagai

titik referensi (Hariyadi, 2009). Penjelasan mengenai resolusi jarak dapat dilihat

pada gambar di bawa yang memperlihatkan dua buah pulsa. Dengan menggunakan

parameter W sebagai lebar pulsa setengah amplituda maksimum, dua pulsa dapat

dibedakan dengan benar jika jaraknya lebih dari lebar tersebut. Jika jaraknya kurang

dari W maka kedua pulsa tersebut dianggap sebagai pulsa tunggal (Hariyadi, 2009).

Besarnya resolusi jarak adalah:

𝑅𝑟𝑒𝑠 =𝑐

2𝐵√𝜀𝑟

Dengan 𝑐 = kecepatan cahaya, 𝐵 = lebar pita, dan 𝜀𝑟= permitivitas relatif medium.

21

Gambar 5. Pulsa temporal dengan setengah lebar W. (a) Pulsa dapat dibedakan dengan jelas ketika T >> W. (b) Dua pulsa dikatakan dapat dibedakan sampai T ≈ W.

(c) Ketika T

22

sebuah sinyal yang berpropagasi pada medium yang lossy akan mengalami redaman

dan pergeseran fasa.

II.8. Frekuensi material GPR

GPR bekerja pada rentang frekuensi kerja 10MHz-2GHz (Jol, 2008). Tanah,

air, batu, pasir, es, mineral dan sedimentasi merupakan material alami GPR yang

dapat dideteksi. Selain material alami tersebut, teknologi GPR dimanfaatkan untuk

non-destructive testing (NDT) pada material beton, aspal maupun ranjau. Setiap

material membutuhkan spesifikasi sistem GPR pada frekuensi tertentu untuk dapat

mendeteksi objek yang memiliki konstanta dielektrik tertentu yang akan

mempengaruhi amplitudo, waktu dan gelombang pantul yang akan diterima dan

diolah menjadikan gambaran yang kompleks tentang gambaran kondisi dibawah

permukaan.

II.9. Tanah

Antena yang biasa digunakan untuk GPR tanah adalah antena yang memiliki

frekuensi tengah diantara 100 dan 500 MHz (Jol, 2008). Antena yag bekerja pada

batas frekuensi tinggi (400-500 MHz) akan memberikan hasil yang cukup baik pada

tanah dengan kondisi kering. Dimana resolusi yang diberikan akan lebih baik dari

frekuensi yang lebih rendah namun memiliki kedalaman yang terbatas. Antena

dengan frekuensi 900MHz-1.5GHz digunakan pada kedalaman tanah yang dangkal

berpasir. Sedangkan untuk tanah organik yang membutuhkan tingkat kedalaman

yang lebih besar biasanya membutuhkan antena dengan frekuensi yang lebih rendah

(70-200MHz).

23

Gambar 6. Perbandingan permukaan tanah dengan hasil Ground Penetrating Radar

Gambar 2.13 memperlihatkan hasil penggambaran kondisi tanah

menggunakan GPR yang dilakukan oleh Dr. Mary Collins, University of Florida).

Penelitian tersebut menggambarkan kondisi tanah di area Pomona soil di North-

central Florida. Tanah Pomona terdiri dari pasir (10 hingga 27% nya adalah tanah

liat) yang merupakan sedimentasi dari laut. Spodic horizon ditunjukan oleh

permukaan yang lebih gelap (letaknya yang berada disepanjang gagang sekop pada

foto). Spodic horizon adalaah lapisan pengendapan atau lapisan yang biasanya

terdapat objek organik ataupun aluminum, dan juga terkadang terdapat material

besi. Sedangkan argillic horizon adalah lapisan yang terlihat lebih terang dibawah

spodic horizon (difoto sebelah kiri pada gambar 2.13 terlihat berada disekitar

bagian sekop) dimana biasanya pada lapisan ini terdapat silicate clay atau pun

sedimentasi yang hampir menyerupai batu. Sedangkan untuk penggunaan di tanah

gambut dibutuhkan antena dengan frekuensi

24

II.10. Air

Sumber daya air di muka bumi ini merupakan salah satu sumber daya yang

paling berharga. Ini dikarenakan kelangsungan hidup makhluk hidup maupun

industri bergantung pada ketersediaan air. Tingginya kebutuhan akan air

menyebabkan banyaknya eksploitasi air tanah dengan cara yang tidak baik dan

memberikan dampak buruk terhadap lingkungan. Dengan pengaplikasian Ground

Penetrating Radar (GPR) diranah penelitian sumber daya air ini dapat menjadi

teknologi penting untuk digunakan dilihat dari banyaknya paper yang membahas

tentang aplikasi GPR hydrogeophysical (Jol, 2008). Pengaplikasian GPR pada

permukaan air mempunyai teori dan teknik yang lebih mendalam karena terdapat

parameter tingkat kelembaban yang mempengaruhi permitivitas dielektrik relatif

(𝜀𝑟) nya. Gambar 2.14 menunjukan beberapa macam aplikasi GPR untuk sumber

daya air.

Gambar 7. Aplikasi Ground Penetrating Radar sumber daya air.

25

II.11. Kontaminasi tanah

Lapisan permukaan bumi (baik tanah maupun air) tidak dipungkiri telah

terkontaminasi oleh berbagai material lain yang berasal dari limbah pabrik,

keberadaan stasiun pengisian bahan bakar, perusahaan tambang yang telah menjadi

salah satu masalah serius di masyarakat . Ground Penetrating Radar (GPR)

mempunyai peran yang cukup penting dimana teknologi ini dimanfaatkan untuk

mapping kondisi geologi dibawah permukaan untuk mengetahui tingkat

kontaminasi suatu lapisan (Jol, 2008). Kontaminan dapat terletak dilapisan

permukaan terluar maupun didalam batuan dasar atau limbh yang terkubur. Sifat

kontaminan dapat dibedakan dengan tingkat kelarutannya terhadap air. Dimana

kontaminan yang memiliki tingkat kelarutan rendah tidak selalu menyebabkan

pencemaran air tanah. Sedangkan kontaminan yang mimiliki tingkat kelarutan yang

tinggi akan mencemari air tanah.

Non-aqueous phase liquids (NAPLs) adalah jenis kontaminan organik.

Kontaminan NAPLs tidak tercampur dengan air tanah sehingga air tanah yang

terdapat kontaminan NAPLs masih memenuhi standard untuk air yang dapat

diminum. Sedangkan DNAPLs adalah jenis kontaminan yang larut dengan air

biasanya yang terkandung dalam limbah pabrik. Tabel 2.15 menunjukan berbagai

kontaminan dengan sifat dan frekuensinya antena yang digunakan.

Gambar 8. Berbagai macam kontaminan dan sifat elektrik nya.

26

II.12. Bukit pasir

Bukit pasir adalah tumpukan pasir yang terbentuk oleh angin. Penggunaan

antena dengan frekuensi 50MHz-400MHz digunakan untuk aplikasi Ground

Penetrating Radar (GPR) di bukit pasir. Nilai teoritis resolusi GPR ditunjukan pada

gambar 2.16 untuk pasir kering, lembab dan juga basah.

Gambar 9. Nilai resolusi berdasarkan frekuensi.

II.13. Pesisir

Daerah pesisir terdiri dari berbagai material yang berasal dari proses erosi

angin, air laut, pasang-surut, sungai dan/atau proses geologi lainnya (Jol, 2008).

Ground Penetrating Radar (GPR) berperan menggambarkan kondisi geologi pada

area erosional dan permukaan hasil pengendapan. Penggunaan antena pada

frekuensi 50-1000MHz memungkinkan untuk digunakan di daerah pesisir. Gambar

10 adalah contoh dari GPR dengan frekuensi 200MHz di daerah pesisir

Gambar 10. Ground Penetrating Radar (GPR) didaerah pesisir dengan frekuensi 200MHz

27

Antena dengan frekuensi yang tinggi (500-1000MHz) memiliki dimensi

antena yang lebih kecil dan akan menghasilkan resolusi yang lebih baik namun

dengan tingkat kedalaman yang lebih rendah dari pada antena pada frekuensi 12.5-

50MHz dimana antena dengan frekuensi tersebut mampu menembus kedalaman

hingga 40-65m (Jol, 2008). Namun antena yang biasa digunakan untuk di daerah

pesisir adalah di frekuensi 100 hingga 120 MHz yang mampu menembus

kedalaman 10-20m namun memiliki resolusi yang bagus.

II.14. Glasial

Glasial atau daerah salju dan es merupakan medium propagasi yang paling

bagus dari berbagai geologi. GPR mampu bekerja di frekuensi diatas 1MHz.

Rendahnya frekuensi kerja ini disebabkan oleh nilai konduktivitas yang rendah dan

tidak adanya nilai dielectric. Radar udarapada frekuensi 50-150MHz di antartik atau

di Greenland secara rutin menggambarkan stratifikasi suhu hingga kedalaman 33-4

km. Gambar 11 menunjukan hasil penggambaran daerah glasial dengan frekuensi

kerja 3MHz. Data direkam didaerah gunung Whitmore, antartik oleh Brian Welch

dan Robert Jacobel dari St. Olaf College, Northfield, Minnesota.

Gambar 11. Kondisi permukaan daerah gunung Whitmore, antartik menggunakan Ground

Penetrating Radar (GPR) dengan frekuensi 3Mhz.

II.15. NDT Transportation (Non-Destructive Testing Transportation)

Sejarah penggunaan Ground Penetrating Radar (GPR) pada infrastruktur

jalan pertama kali dilakukan pada pertengahan tahun 1970-an (Jol, 2008).

Kendaraan dengan teknologi Ground Penetrating Radar(GPR) untuk jalan tol

dimiliki oleh Federal Highway Administration (FHWA) pada tahun 1985.

28

Perangkat GPR dipasangkan pada kendaraan yang digunakan untuk melakukan

survey infrastruktur seperti pada gambar 12.

Gambar 12. NDT Transportation adalah mobil yang terpasang perangkat Ground Penetrating

Radar (GPR).

Komponen GPR yang terpasang yaitu : (1) Ground-coupled dan/atau air-

coupled antenna dengan perangkat pengirim dan penerima; (2) kabel; (3) GPR

control unit; (4) pulse encoder; dan (5) perlengkapan penunjang. Posisi antena

umumnya dipasangkan pada bagian depan mobil ataupun dibagian belakang seperti

pada gambar 13.

(a) (b)

29

(c) Gambar 13. NDT Transportation di berbagai negara (a) (kanan) antena 100MHz ground

coupled system antennas (kiri) 1GHz air coupled system antennas milik Texas

Transportation Institute; (b) antena horn milik Canadian Road Radar System;

(c) Multichannel Air coupled Horn Antennas System milik Penetradar

30

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN

Pengolahan data GPR untuk mengetahui benda atau kondisi di bawah

permukaan tanah adalah salah satu bagian penting pada GPR. Pengolaha data GPR

harus dilakukan dengan tepat agar interpretasi pada gambar keluaran dari

pengolahan data ini dilakukan dengan tepat. Adapun tujuan dari penelitian kali ini

adalah merancang sebuah program untuk aplikasi pengolahan sinyal digital (digital

signal processing) pada data GPR untuk menginterpretasikan dengan benar benda/

lapisan di bawah permukaan.

Dari tujuan di atas, diharapkan agar penelitian ini bermanfaat besar bagi

pengembangan antena di bidang radar, khususnya GPR. Adapun maanfaat yang

diharapkan adalah hasil penelitian ini dapat dimanfaatkan lebih luas karena saat ini

program untuk mengolah data GPR masih sedikit yang sifatnya freeware.

Umumnya software pengolahan yang beredar adalah bersifat licenced dan berbayar.

Pengembangan program pengolahan data GPR ini menggunakan software

Matlab. Matlab adalah software yang berbayar. Namun dalam penggunaan

nantinya, program yang dibuat pada penelitian ini dapat dijalankan pada sebuah

freeware seperti contohnya Octave. Octave adalah software yang dapat diunduh dan

digunakan secara bebas.

Manfaat lain dari penelitian ini diharapkan mendukung renstra dan roadmap

penelitian pada Fakultas Teknik UNJ, rencana strategis (renstra) penelitian di pada

Fakultas Teknik UNJ dibuat berdasarkan kajian kelompok bidang ilmu teknik

elektronika komunikasi di program studi Pendidikan Vokasional Elektronika FT

UNJ dan mengacu pada Rencana Induk Penelitian (RIP) UNJ 2016-2020 tema

sains, teknologi dan olah raga dengan isu strategis rekayasa teknologi. Renstra ini

dirancang untuk kurun waktu jangka panjang 10 tahun dari 2017 sampai dengan

2027 dengan tetap menyesuaikan setiap perubahan RIP UNJ dan road map

penelitian setiap 5 tahun. Sasaran yang ingin dicapai adalah memperoleh temuan

dan inovasi rekayasa teknologi untuk publikasi jurnal internasional bereputasi

31

minimal setiap 2 tahun dan memperoleh paten dibidang ilmu antena dan propagasi

gelombang setiap 5 tahun.

Rumusan rencana penelitian bidang ilmu antena dan propagasi gelombang

adalah sebagai berikut:

Kompetensi/Keahlian/ Keilmuan

Isu-Isu Strategis

Konsep Pemikiran

Pemecahan Masalah

Topik Penelitian

Antena dan Propagasi Gelombang

Pengembangan antena MIMO 5G

Kebutuhan antena untuk sistem seluler 5G

Antena yang mendukung sistem MIMO dan Beamforming

• Antena MIMO

• Antena Beamforming

• Antena Sparse Array

• Ultrawideband antena

• Antena reconfigurable

Pengembangan Antena Radar

Kebutuhan antena untuk mendukung perkembangan teknologi Radar yang lebih efisien

Antena Radar dengan performansi dan resolusi tinggi dengan biaya yang efisien

• Rekayasa struktur material antena

• Teknik disain antena array

• Antena Sparse array

• Metamaterial antena

Antena untuk aplikasi medis dan pengolah citra

Kebutuhan antena untuk mendukung perangkat medis dan pengolah citra

Disain antena untuk perangkat medis dan pengolah citra

• Disain antena untuk aplikasi MRI

• Antena untuk body sensor wireless

Jaringan sensor wireless

Kebutuhan antena untuk mendukung jaringan sensor wireless

Disain antena untuk jaringan sensor wireless

• Disain antena wearable untuk jaringan sensor wireless

• Antena sistem navigasi personal

32

BAB IV METODOLOGI PENELITIAN

METODOLOGI PENELITIAN

IV.1 Desain Penelitian

Penelitian ini dilakukan dengan desain, simulasi, implementasi/fabrikasi

antena dan pengukuran. Penelitian ini akan dilaksanakan dalam beberapa tahapan,

yaitu:

1. Studi literatur tentang konsep dasar GPR, antena, karakteristik antena GPR dan

sistem pemrosesan sinyal pada GPR. Studi literatur bertujuan untuk

memberikan gambaran ke peneliti mengenai penelitan - penelitian tentang

energi nirkabel yang telah ada sebelumnya melalui jurnal-jurnal ilmiah seperti

IEEE Transactions on Antenas and Propagation, IEEE Antenas and Wireless

Propagation Letters, IEEE Proceedings – Microwave, Antenas and

Propagation, International Journal of Research in Antenas and Microwave

Engineering (IJRAWE) dan jurnal-jurnal ilmiah international ber-index

lainnya yang berkaitan dengan topik antena dan propagasi gelombang serta

digital signal processing. Dari studi literatur diketahui posisi penelitan dan

metode apa saja yang telah dikembangkan mengenai GPR (state of the art).

2. Merancang/mendesain sistem pemrosesan sinyal dengan menggunakan sebuah

software dengan bahasa pemrograman tertentu dan kemudian menyimulasikan

hasil desain sistem pemroses sinyal tersebut untuk mengetahui paramater dan

karakteristik lingkunagn yang ingin “dilihat” oleh radar.

3. Mengevaluasi sistem yang telah dibuat untuk memperoleh kesimpulan yang

bisa dipertanggungjawabkan.

IV.2 Instrumen Penelitian

Instrumen yang digunakan dalam Penelitian ini terdiri dari adalah Software

Matlab. Matlab adalah sebuah software yang salah sau fiturnya adalah dapat

menyimulasikan dan membaca data dalam bentuk matriks yang kemudian data

33

tersebut dapat diolah dengan fungsi fungis tertentu yang ada pada Matlab. Selain

itupula, Matlab sangat fleksibel jika kita ingin menambahkan fitur – fitur fungsi

yang belum ada. Matlab ini merupakan software untuk membuat suatu

pemrograman dengan Bahasa yang high level language (Bahasa C). Program yang

dibuat dengan Matlab ini bertujuan untuk mengolah sinyal pantul dari radar yang

kemudian diolah untuk mengintrepretasi benda yang ada di bawah permukaan

tanah.

34

BAB V

HASIL PENELITIAN DAN ANALISIS

V.1. Proses Persiapan Data

Pada saat pertama kali, program pengolahan data harus diinisiasi terlebih

dahulu. Data GPR harus disimpan pada folder yang sudah ditentukan agar program

yang dibuat langsung mengakses data pada folder yang sudah didefinisikan

sebelumnya. Data yang digunakan pada penelitian ini adalah data pada (Huber &

Hans, 2018). Format data yang ada untuk diolah adalah sebuah data dalam format

matriks, dimana karakteristik data yang didefinisikan di program yaitu:

• frekuensi

• jarak antara antena pemancar dan penerima

• jumlah baris dan jumlah trace

• jarak antar baris (dalam meter)

• folder penyimpanan data GPR

• folder peyimpanan data GPR post processing

Terdapat sebuah parameter survey yang memegang peranan penting pada

program yang telah dibuat ini. Untuk setiap data yang akan proses/oleh, parameter

survey ini harus diatur sedemikian agar dapat memproses data GPR.

Pada program GPR data processing yang dibuat, baris paling bawah

didefinisikan diawal parameter survey pada baris paling bawah. Parameter survey

diatur agar memanggil data GPR dengan format Line00.DT1. Lalu kemudian,

program yang dibuat memanggil file-file data GPR lainnya. Data GPR yang

diujicobakan pada program ini adalah data dengan 4 baris data GPR. Lalu dari profil

data GPR yang diujikan, jarak antar baris adalah 0.2 meter. Jarak antar antena

transmit dan receiver adalah 1 meter. Setelah pada program DSP telah diatur

semuanya, maka kemudian program dijalankan. Profil kondisi dibawah permukaan

ketika program dijalankan dapat dan 1D plot amplituda sinyal berturut turut

ditunjukkan pada Gambar 14, Gambar 15, Gambar 16 dan Gambar 17.

35

Gambar 14. Profil citra data GPR sebelum diproses untuk data baris ke-0

Gambar 15. Citra data GPR sebelum diproses untuk data baris ke-1

two

wa

y t

rave

l tim

e (

ns)

position (meter)

Line 0

0 2 4 6 8 10

0

50

100

150

200

250

300

350

400-3

-2

-1

0

1

2

3

x 104

two

wa

y t

rave

l tim

e (

ns)

position (meter)

Line 1

0 2 4 6 8 10

0

50

100

150

200

250

300

350

400-3

-2

-1

0

1

2

3

x 104

36

Untuk melihat lebih jelas impuls sinyal, dijelaskan pada Gambar 16 dan

Gambar 17.

Gambar 16. 1D plot signal trace pada line 0 trace 1

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4x 10

4 1D Plot Line 0 Trace 1

two way travetime (ns)

sig

nal a

mp

litu

de (

mV

)

37

Gambar 17. 1D plot signal trace pada line 1 trace 1

Gambar 18. 1D plot signal trace pada line 1 untuk semua trace

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4x 10

4 1D Plot Line 1 Trace 1

two way travetime (ns)

sig

nal a

mp

litu

de (

mV

)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4x 10

4 1D Plot Line 1

two way travetime (ns)

sig

nal a

mp

litu

de (

mV

)

38

Pada Gambar 14 dan gambar 15, dapat dilihat bahwa GPR meng-scan suatu

profil permukaan dimana kondisi antena GPR tidak tepat menyentuh tanah,

sehingga tampak pada gambar tersebut sebuah daerah dimana sinyal

elektromagnetik dari GPR merambat di udara sebelum masuk ke permukaan tanah.

V.2. Proses Pengolahan Data

V.2.1. Proses Dewow dan Time Zero Correction

Pada Gambar 14 dan gambar 15 di atas, belum banyak informasi yang bisa

diketahui berkaitan dengan data GPR hasil survey yang belum diolah tersebut. Oleh

karenanya, diperlukan proses pengolahan untuk data GPR. Dalam pengolahan data

GPR hal pertama yang harus dilakukan ialah mengembalikan sinyal pada posisi

yang sebenarnya, karena data yang dikeluarkan pada saat akuisisi data di lapangan

memiliki waktu jeda sebelum sinyal menyentuh permukaan. Proses time-zero

correction dilakukan untuk menghilangkan jeda sinyal tersebut.

Gambar 19 dan Gambar 20 menunjukkan profil data GPR setelah time zero

correction. Dalam proses time zero correction ini, perhitungan tentang frekuensi,

waktu perambatan gelombang antara antena transmitter dan antena receiver, dan

kemudian menghilangkan nilai amplituda sinyal yang nilainya mendekati nol dan

menginterpolasikan antar data trace GPR.

Setelah time zero correction dilakukan, proses berikutnya adalah dewowing

yang bertujuan menghilangkan noise dan komponen DC bias. Figure 6

menunjukkan profil data GPR setelah proses dewow. Gambar 23 dan Gambar 24

berturut – turut memperlihatkan gambar 1D plot utk signal trace setelah proses

dewow dan perbandingan amplituda sinyal sebelum dan setelah proses dewow.

39

Gambar 19. Profil citra data GPR setelah time zero correction

Gambar 20. Profil citra data GPR setelah time zero correction

two w

ay t

ravel tim

e (

ns)

position (meter)

Line 0

0 2 4 6 8 10

0

50

100

150

200

250

300

350-3

-2

-1

0

1

2

3

x 104

two

wa

y t

rave

l tim

e (

ns)

position (meter)

Line 1

0 2 4 6 8 10

0

50

100

150

200

250

300

350-3

-2

-1

0

1

2

3

x 104

40

Gambar 21. Profil citra data GPR setelah time zero correction dan dewow

Gambar 22. Profil citra data GPR setelah time zero correction dan dewow

two

wa

y t

rave

l tim

e (

ns)

position (meter)

Line 0

0 2 4 6 8 10

0

50

100

150

200

250

300

350-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

x 104

two

wa

y t

rave

l tim

e (

ns)

position (meter)

Line 1

0 2 4 6 8 10

0

50

100

150

200

250

300

350-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

x 104

41

Gambar 23. Citra trace data GPR 1D plot setelah dewow pada line 0 trace 1

Gambar 24. Perbandingan citra trace data 1D plot sebelum dan setelah dewow

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4x 10

4 1D Plot Line 0 Trace 1 Dewow Data

two way travel time (ns)

sig

nal am

plit

ude (

mV

)

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4x 10

4 1D Plot Line 0 Trace 1 (Before and After Dewow)

two way travetime (ns)

sig

nal am

plit

ude (

mV

)

before dewow

after dewow

42

V.2.2. Meningkatkan Gain pada Data

Gelombang radar yang merambat melalui tanah akan semakin teredam

dengan cepat. Hal itu artinya bahwa semakin dalam gelombang

radar/elektromagnetik tersebut merambat, maka semakin lemah daya sinyal yang

menyebabkan kita tidak dapat “melihat” lebih banyak ketika sinyal tersebut

memantul dibawah permukaan dan tiba di permukaan. Salah satu cara agar sinyal

yang telah merambat lebih dalam dapat dilihat/dibaca, maka dapat dikuatkan

dengan mengalikan sinyal tersebut dengan faktor penguat tertentu. Hal ini

dikatakan sebagai gain the data. Cara yang digunakan pada penelitian ini ada dua

metode, yaitu metode pertama ialah meningkatkan daya sinyal data dengan sebuah

faktor besar untuk sinyal yang berasal dari bawah permukaan yang lebih dalam dan

mengalikan dengan faktor yang lebih kecil untuk sinyal yang berasal dari bawah

permukaan yang tidak terlalu dalam. Cara ini disebut sebagai time power amplitude

gain correction. Dengan metoda pertama ini, maka citra data GPR pada lapisan atas

akan menjadi sedikit tidak jelas, namun pada lapisan bawah akan menjadi kuat.

Metode kedua lainnya adalah mengalikan semua sinyal yang berasal dari seluruh

lapisan pada berbagai kedalaman dengan faktor tertentu yang sama. Metode ini

disebut dengan automated gain control. Pemilihan metode penguatan daya sinyal

data bergantung kepada jenis data ataupun jenis target yang diinginkan.

V.2.2.1. Time-power gain (TPOW)

Pada metode time power amplitude gain correction, sinyal dikuatkan

sepanjang axis waktu propagasi dua arah dan mengalikan masing-masing trace

dengan power t (tα). Jika kita mengasumsikan α = 1, maka kita meningkatkan daya

sinyal secara linier pada setiap waktu propagasi. Jika kita mengasumsikan t = 2,

maka daya akan meningkat secara quadratis sepanjang waktu propagasi. Pada

gambar dibawah, kita menggunakan α = 2.

43

Gambar 25. Profil citra data GPR setelah dikuatkan dengan metode time power gain pada

line 0

Gambar 26. 1D plot untuk signal trace setelah dikuatkan dengan metode time power gain

pada line 0

Line 0

two

wa

y t

rave

l tim

e (

ns)

position (meter)

0 2 4 6 8 10

0

50

100

150

200

250

300

350-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

x 107

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2x 10

7 1D Plot Line 0

two way travel time (ns)

sig

nal am

plit

ude (

mV

)

44

Gambar 27. Profil citra data GPR setelah dikuatkan dengan metode time power gain pada

line 1

two

wa

y t

rave

l tim

e (

ns)

position (meter)

Line 1

0 2 4 6 8 10

0

50

100

150

200

250

300

350 -4

-3

-2

-1

0

1

2

3

x 107

45

Gambar 28. 1D plot untuk signal trace setelah dikuatkan dengan metode time power gain

pada line 0

Gambar 28 memperlihatkan gambar yang mirip dengan gambar setelah

proses dewow. Perbedaannya terletak pada permukaan yang lebih dalam. Pada

gambar dengan metode time power, data profil pada permukaan bagian atas tidak

terlalu banyak perubahan, namun kondisi sinyal hanya melemah, sedangkan pada

bagian bawah, terlihat perbedaan karena sinyal pada profil bagian bawah lebih kuat.

Penguatan amplitude sinyal pada bagian bawah profil dan pelemahan amplituda

sinyal pada bagian atas profil ditujukkan pada Gambar 28. Terlihat pada Gambar

28, semakin berada pada bawah profil, maka penguatan sinyal semakin besar.

V.2.2.2. Automated gain control (AGC)

Profil hasil pengolahan data GPR dengan meningkatkan gain data dengan

metode automated gain control dapat dilihat pada Gambar 29, Gambar 30, Gambar

31 dan Gambar 32. Caranya adalah dengan menetapkan sebuah time (depth)

window dan mengatur agar daya pada setiap window adalah sama. Oleh karenanya

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-4

-3

-2

-1

0

1

2

3x 10

7 1D Plot Line 1

two way travel time (ns)

sig

nal a

mp

litu

de (

mV

)

46

kita harus menentukan lebar window atau window width. Pada setiap window,

diberikan penguatan yang sama. Figure 12 memperlihatkan penguatan yang sama

untuk setiap window.

Gambar 29. Profil citra data GPR setelah dikuatkan dengan metode automated gain control

pada line 0

two w

ay t

ravel tim

e (

ns)

position (meter)

Line 0

0 2 4 6 8 10

0

50

100

150

200

250

300

350

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

47

Gambar 30. 1D plot untuk signal trace setelah dikuatkan dengan metode automated gain

control pada line 0

Gambar 31. Profil citra data GPR setelah dikuatkan dengan metode automated gain control

pada line 1

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1D Plot Line 0

two way travel time (ns)

sig

nal a

mlit

ud

e (

mV

)

two

wa

y t

rave

l tim

e (

ns)

position (meter)

Line 1

0 2 4 6 8 10

-50

0

50

100

150

200

250

300

350

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

48

Gambar 32. 1D plot untuk signal trace setelah dikuatkan dengan metode automated gain

control pada line 0

Gambar-gambar profil yang telah dijelaskan sebelumnya, semua gambar

dinyatakan dalam two way travel time. Waktu propagasi dua arah ini dapat

dikonversi menjadi kedalaman. Untuk dapat mengkonversi waktu propagasi dua

arah ke depth, kecepatan sinyal radar dalam tanah perlu diketahui. Untuk kecepatan

gelombang elektromagnetik dalam media dapat dilihat pada Table I. Kecepatan

rambat yang digunakan pada data GPR adalah 0.6 m/s. Gambar 33 menunjukkan

profil data GPR dimana two-way travel time dikonversi ke depth.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

11D Plot Line 1

two way travel time (ns)

sig

nal am

plit

ude (

mV

)

49

Gambar 33. Profil citra data GPR dengan two-way travel time dikonversi ke depth dengan

velocity = 0.06 m/ns

Depth

(m

ete

r)

position (meter)

Line 0

0 2 4 6 8 10

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

50

BAB VI

KESIMPULAN DAN SARAN

VI.1. Kesimpulan

Hasil penelitian ini berhasil mengembangkan sebuah program untuk

membaca data GPR kemudian memvisualisasikan kondisi bawah permukaan dari

data GPR yang diolah. Tahap pertama adalah tahap editing dan rubber banding

yang merupakan tahap persiapan pengolahan data. Informasi yang dibutuhkan

adalah frekuensi yang digunakan, jarak antar lines, jumlah lines, jumlah trace dan

jenis file. Tahap berikutnya adalah tahap time zero correction dan tahap dewow.

Time zero correction adalah metoda untuk menyinkronkan/mengoreksi waktu tepat

saat sinyal menyentuh permukaan untuk masuk menembus permukaan. Penelitian

ini sudah berhasil mengoreksi waktu nol sinyal. Proses dewow bertujuan untuk

menghilangkan komponen frekuensi rendah dan DC bias. Program yang dibuat

pada penelitian ini sudah melakukan proses dewow walaupun tidak begitu terlihat

perbedaannya antara sebelum dan setelah dewow. Namun terlihat ketika citra 1D

plot trace dianalisis. Tahap berikutnya adalah proses filtering yang bertujuan untuk

meningkatkan SNR. Program juga sudah berhasil melakukan filter terhadap data

GPR. Setelah filtering, tahap berikutnya adalah meningkatkan gain pada data.

Tahap ini merupakan tahap yang sedikit kompleks karena bukan menggunakan data

langsung. Proses gaining data berjalan bagus, namun nilai parameter penguatan

belum optimal. Secara umum, program pengolahan data GPR (GPR Digital Signal

Processing) yang dibuat pada penelitian ini sudah berjalan sempurna.

VI.2. Saran

Pengembangan program pengolahan data GPR adalah suatu hal yang tidak

sederhana karena pengolahan data GPR sangat bergantung dari kualitas data GPR,

karakteristik permukaan dan bawah permukaan serta pengalaman peneliti dalam

penentuan beberapa nilai parameter permukaan maupun benda di bawah

permukaan. Pada penelitian ini menggunakan data GPR dari penelitian lain di luar

51

negeri. Oleh karenanya peneliti mengembangkan program pengolahan data GPR

berdasarkan data GPR peneliti lain yang kemudian diverifikasi dengan program

pengolahan data GPR yang telah ada sebelumnya.

Saran untuk penelitian selanjutnya adalah sebaiknya data yang digunakan

untuk verifikasi program pembacaan data GPR adalah data GPR yang disurvey oleh

peneliti sendiri, baik survey lapangan atau survey dengan skenario lapangan

tertentu sehingga karakteristik permukaan dan bawah permukaan bias diatur untuk

memverifikasi hasil pengolahan data GPR.

52

DAFTAR PUSTAKA

Ali, J., Abdullah, N., Yusof, M., Mohd, E., & Mohd, S. (2017). Ultra-

Wideband Antenna Design for GPR Applications: A Review.

International Journal of Advanced Computer Science and Applications,

8(7). https://doi.org/10.14569/IJACSA.2017.080753

Annan, P. (2002). The history of ground penetrating radar. Subsurface

Sensing Technologies and Applications (Vol. 3).

DAVIS, J. L., & ANNAN, A. P. (1989). GROUND-PENETRATING RADAR

FOR HIGH-RESOLUTION MAPPING OF SOIL AND ROCK

STRATIGRAPHY1. Geophysical Prospecting, 37(5), 531–551.

https://doi.org/10.1111/j.1365-2478.1989.tb02221.x

Hariyadi, T. (2009). Perancangan Dan Realisasi Transceiver Stepped

Frequency Continuous Wave Ground Penetrating Radar (Sfcw-Gpr)

700-1400 Mhz.

Huber, E., & Hans, G. (2018). RGPR — An open-source package to process

and visualize GPR data. In 2018 17th International Conference on

Ground Penetrating Radar (GPR) (pp. 1–4). IEEE.

https://doi.org/10.1109/ICGPR.2018.8441658

Jol, H. M. (2008). Ground Penetrating Radar Theory and Applications.

Oxford: Elsevier Science.

Mohamed, H. A., Elsadek, H., & Abdallah, E. A. F. (2012). Design of

compact DRH antenna For GPR transmitter application. In The 2nd

Middle East Conference on Antennas and Propagation (pp. 1–4). IEEE.

https://doi.org/10.1109/MECAP.2012.6618186

Pérez-Gracia, V., González-Drigo, R., Di Capua, D., & Pujades, L. G.

(2007). Characteristics of the GPR field pattern antennas. In M. Ehlers

& U. Michel (Eds.) (p. 67492L). https://doi.org/10.1117/12.737753

Rubin, Y., & Hubbard, S. S. (Eds.). (2005). Hydrogeophysics (Vol. 50).

Dordrecht: Springer Netherlands. https://doi.org/10.1007/1-4020-3102-

53

5

Severns, R. (2005). Skin Depth and Wavelength in Soil.

Shao, J., Fang, G., Ji, Y., Tan, K., & Yin, H. (2013). A Novel Compact

Tapered-Slot Antenna for GPR Applications. IEEE Antennas and

Wireless Propagation Letters, 12, 972–975.

https://doi.org/10.1109/LAWP.2013.2276403

Yildiz, S., Uysal, A., & Ozen, M. (2016). Shorted TEM horn antenna for GPR

applications. In 2016 16th Mediterranean Microwave Symposium

(MMS) (pp. 1–3). IEEE. https://doi.org/10.1109/MMS.2016.7803876

54

LAMPIRAN

Lampiran 1. Publikasi (1)

Design and Implementation of Low-Cost

Wideband Antenna for Ground Penetrating Radar Baso Maruddani1,2*, Efri Sandi1, Muhammad Fadhil Naufal

Salam1

1Electronics Vocational Education Program, Engineering Faculty, Universitas Negeri

Jakarta, Indonesia 2DJA Institute, Jakarta, Indonesia *Corresponding author: Baso Maruddani; Email: basomaruddani@unj.ac.id

Abstract

Vivaldi antenna is one of many types of antenna implemented on ground penetrating

radar. Its characteristics are pointed radiation and wide bandwidth. This study aims to

design an antenna used for non-destructive test on a transportation to check the roadway

material. This Vivaldi antenna has a wide bandwidth, 1 GHz approximately, with the

frequency range between 1 GHz to 2 GHz. This Vivaldi antenna design is obtained by

changing few parameters of common Vivaldi antenna to fulfill its design characteristics:

low cost and wide bandwidth. The antenna size is 350mm x 300mm. The simulation result

shows that there is return loss below -10 dB for 1-2 GHz frequency range and the lowest

return loss at that frequency range is around -35 dB on 1.4 GHz. This paper also explains

about the effect of tapered slot size changes to return loss value and frequency. When the

antenna width is enlarged, the value of return loss is getting smaller in the lower frequency.

Therefore, antenna bandwidth is getting wider. The same situation happened when tapered

slot size gets bigger value, the antenna working frequency switches into the lower

frequency. We can conclude that antenna bandwidth widening can be done by enlarging

tapered length value and reducing tapered rate value.

Keywords: Vivaldi antenna, Ground Penetrating Radar, optimization, low cost

antenna, wide bandwidth

1. Introduction

Ground Penetrating Radar (GPR) is a technology that has been developed within 15-

20 years ago. The advancement involves theories, techniques, technology and also

applications range. GPR is an imaging tool that uses electromagnetic waves to observe

underground material. At the beginning of its emergence, GPR technology is used to detect

natural materials, but as the theory and technique progress, GPR also is also used to detect

unnatural materials such as asphalt, concrete, and even bridge structures. Each material that

we want to detect has different GPR specifications due to different permittivity value.

mailto:basomaruddani@unj.ac.id

55

Simply talk, the GPR works by counting the amount of reflection and electromagnetic

waves that fired on the surface.

There are two important parts in GPR: the antenna and the processing system to process

a received / reflected signal. This paper focuses on the antenna used by GPR: Vivaldi

antenna. Vivaldi antenna was first used by Gibson in 1979 with very wide bandwidth

characteristics and directional radiation patterns [1]. Theoretically, Vivaldi antennas have

infinite bandwidth, high gain, and linear polarization [2]. Figure 1 shows the concept of a

Vivaldi antenna in the front view.

Figure 1:VivaldiAntenna

Dimension parameters of Vivaldi Antenna are antenna length (PA), antenna width

(LA), tapered length (TL), tapered rate (r), slot-line length (sL), back-wall offset (bwo) and

opening mouth (MO).The Vivaldi antenna included in the Exponential Tapered Slot

Antenna (TSA) type.

2. Methods and Equipment 2.1. Methods

The development of the Vivaldi antenna on this paper begins by determining some

antenna parameters to specify the initial antenna. The next step is making antenna modeling

by using antenna simulation software based on parameters specified in the antenna

dimension parameters. Antenna simulation is used to find out whether the antenna model

meets antenna specifications for the Ground Penetrating Radar (GPR). After all antenna

parameters are specified and simulated, the parameters are compared to the desired

specification (frequency, return loss, VSWR). If simulation result shows that antenna does

not meet the specification yet, optimization is carried out. Optimization is done to achieve

the specifications needed by learning various things, other literacy and also trial and error.

Optimization is done by changing the values of the antenna dimension parameters. Each

antenna dimension parameter has an effect for bandwidth antenna performance during this

research period. Thus connecting between antenna width parameter and bandwidth of the

Vivaldi antenna becomes one of the data results in this research.

The length (PA) and width (LA) of the antenna is determined by equation (1).

𝑃𝐴 ≈ 𝑐

𝑓 √𝜀𝑟 𝐿𝐴 ≈

1

2×

𝑐

𝑓 √𝜀𝑟 (2)

where 𝑃𝐴 is an antenna length, 𝐿𝐴 is an antenna width, 𝑐 is a speed of light, 𝑓 is the frequency, and 𝜀𝑟 is a relative permittivity. In the design of Vivaldi's taper slot antenna, the dimensions of Tapered length and Tapered rate determines through the calculation using

formula (3). The slope level of the taper slot of Vivaldi antenna greatly affects the gain,

beamwidth and bandwidth of the TSA [3]. Tapered slot antennas have a curvilinear level

56

based on exponential functions as in equation (3) where long tapered values was

predetermined and the mouth opening value can be found by using formula (4).

𝑢 = ± 𝑠 × 𝑒𝑥𝑝(𝑟×𝑡) (3) ±𝑀𝑂

2= ±

𝑠

2×

𝑒𝑥𝑝(𝑟×𝑇𝐿) (4)

Air-coupled on GPR systems is used to evaluate and obtain information from the

topside of the infrastructure (such as sidewalks or asphalt roads). Air-coupled antenna

system operates on the frequency range 500 to 2500 MHz and the middle frequency is on

1.0 GHz where this frequency has an ability to penetrate ground 0.5 to 0.9 meters [4]. One

of the advantages of an air-coupled antenna is that as the process is installed, data

processing can be carried out at vehicle speeds of up to 100km/h which does not disturb

the traffic around it.

Microstrip to the slotline transition is simply a feed technique by crossing the slotline

with the microstrip [5]. This casting technique includes all types of electromagnetic

couplings because the slotline and microstrip are separated by substrate elements. Stub is

the distance between the midpoint of the microstrip and slotline meeting. Equation (5) is

used to determine the wavelength by using a Microstrip pilot for slotline transitions. Table

2 shows Vivaldi antenna dimension parameter values after calculation and Figure 2 shows

an initial design of Vivaldi antenna.

𝑠𝑡𝑢𝑏𝐿 = 0.25 ×𝑐

𝑓𝑐√𝜀𝑟 (5)

Table 1: Parameters of Vivaldi antenna

Parameters Symbols Value

Tapered Length TL 75 mm Tapered Rate R 0.0555 Mouth Opening MO 73.22 mm Stub Length stubL 24.1 mm Slotline Length sL 74 mm Slotline Width S 1.14 mm Antenna Length PA 150 mm Antenna Width LA 75 mm CooperThickness - 0.035 mm Substrate Thickness H 1.6 mm Backwall offset bwo 1 mm Microstrip Width W 3.1 mm

57

(a) (b)

Figure 2: Initial design of Vivaldi antenna, front view(a), back view (b).

3. Results

The Vivaldi antenna design with dimension parameters results from the distribution

calculation to determine the return loss and VSWR values in the working frequency range

as shown in Figure 3.

(a) (b)

Figure 3: Simulation result of Vivaldi antenna at first, return loss (a), VSWR (b).

Both graphs show that Vivaldi antenna does not have return loss and VSWR values

according to specifications. Therefore optimization is done by changing the parameter

values of the dimensions of the antenna width, antenna length and tapered slot. The

following Vivaldi antenna parameters after optimization are shown in Table 2 and

simulation results with optimized parameters are shown in Figure 4. In Figure 4, return loss

value is less than -10 dB and VSWR value is between 1 and 2.

Table 2: Parameters of Vivaldi antenna after optimization

Parameters Symbols Value

Tapered Length TL 250 mm Tapered Rate R 0,022 Mouth Opening MO 278, 95 mm Stub Length stubL 24,1 mm Slotline Length sL 99 mm Slotline Width S 1,14 mm Antenna Length PA 350 mm Antenna Width LA 300 mm Cooper Thickness - 0,035 mm Substrate Thickness H 1,6 mm Backwall offset Bwo 1 mm Microstrip Width W 3 mm

58

(a) (b) Figure 4: Vivaldi antenna simulation result after optimization, return loss (a) and

VSWR (b)

Optimization Process

The optimization process is done by changing the antenna length value, antenna width

and tapered rate value. For antenna widths, changes are made by making the antenna width

larger. Figure 5(a) shows the change in the shape of the return loss graph for some antenna

width values which are 75 mm (red), 100 mm (green), 125 mm (blue), 200 mm (orange)

and 250 mm (pink). For antenna lengths, changes are made by increasing the antenna width

value. Figure 5(b) shows a graph of return loss against several values of the antenna length

which are 200 mm (red), 250 mm (green), 300 mm (blue) and 350 mm (orange). For tapered

rate values, tapered length values are made even greater, so the tapered rate becomes

smaller. Tapered rate simulation is shown in Figure 6.

(a) (b)

Figure 5: Return loss, antenna width shifting graph (a) and antenna length shifting

graph (b)

Table 3: Tapered length and tapered rate optimization value.

Tapered length (mm) Tapered rate Color

75 0.0555 Red 100 0.04165 Green 150 0.0277 Blue 250 0.022 Orange 300 0.018 Pink

59

Figure 6: Return loss toward tapered slot value shifting

4. Discussion

Figure 5(a) shows when the antenna width value is enlarged, the graph gradually moves

towards low frequency (return loss and VSWR). This causes greater bandwidth. Next,

optimization is performed on the antenna length dimension parameters. Figure 5(b) shows

return loss against several values of the antenna length: 200mm (red), 250mm (green),

300mm (blue) and 350mm (orange). When the antenna length is enlarged, there is no

significant change in the return loss and VSWR graphs to the working frequency range of

the Vivaldi antenna. Antenna length value greater than the antenna width aims to make the

Vivaldi antenna still have a radiation pattern which is consistent with its characteristics.

Tapered slot optimization is done by changing two dimensional parameters, which are

tapered length and tapered rate. Table 3 shows tapered length and tapered rate optimization

values. In Figure 6, it can be seen that when the tapered slot, includes the tapered rate and

tapered length values, is increased, the working frequency range of the Vivaldi antenna

shifts towards the low frequency (return loss and VSWR). The result when tapered length

value is enlarged and tapered rate value is reduced, the working frequency range widens.

However, tapered slot optimization is limited by antenna width and antenna length because

their dimension depend on the dimensions of the length and width of the Vivaldi antenna.

(a) (b) (c)

Figure 7: Fabricated antenna, the antenna (a), return loss measurement (b), VSWR

measurement

Furthermore, the antenna design is fabricated to determine its bandwidth by measuring

it using a network analyzer. Figure 7(a) shows the fabricated Vivaldi antenna.

The fabricated Vivaldi antenna bandwidth is measured using a network analyzer.

Figures 7(b) and 7(c) show the return loss graph and the VSWR of the fabricated Vivaldi

60

antenna. Fabricated Vivaldi antenna shows a decrease in bandwidth and the working

frequency whereas the fabricated Vivaldi antenna has a working frequency range from 1

GHz to 1.7 GHz. The bandwidth decrease is caused by differences in the dimensions of the

Vivaldi antenna simulation and fabrication parameters. Table 4 shows the comparison of

the parameters of the Vivaldi antenna dimensions with the fabrication simulation. There

are differences in the parameters of the mouth opening dimension, the width of the feed

channel and the backwall offset. This causes differences in the results of fabricated and

simulated antenna performance.

Tabel 4: Comparation between optimization and fabrication antenna parameters

Parameters Simulation (optimization)

Fabrication

Antenna Length 350 mm 350 mm Antenna Width 300 mm 300 mm Mouth Opening 278,95 mm 280 mm Feeder Width 3 mm 2 mm Backwall Offset 1 mm 1,5 mm

5. Conclusion The design of the Vivaldi antenna for the Ground Penetration Radar is carried out

starting from the literature study, determining antenna specifications, designing and

optimizing the shape of Vivaldi antenna on the antenna simulator application and antenna

fabrication so that the bandwidth can be measured.

This Vivaldi antenna with dimension 350 × 300 mm has a working frequency range

from 1 GHz to 1.7 GHz with return loss values is less than -10dB and VSWR value is

between 1 and 2. The fabricated Vivaldi antenna has decreased bandwidth from the

simulation results which has bandwidth 1 GHz with a working frequency range from 1 GHz

to 2 GHz. However, the fabricated Vivaldi antenna can be used for Non-Destructive

Testing Highway antennas.

Acknowledgement

The authors would like to express our gratitude to Dean of Engineering Faculty,

Universitas Negeri Jakarta for the contribution and support to the research.

Conflict of Interest

The authors have no conflict of interest to declare.

References

Elsevier Science. (2009). Ground Penetrating Radar Theory and Applications.

Edited by Harry M. Jol. Slovenia: Elsevier Science.

61

Erdogan, Yakup. (2009). Parametric Study and Design of Vivaldi Antennas and

Arrays. PhD dissertation/master’s thesis, Middle East Technical University.

Gibson, P.J. (1979). Vivaldi Aerial. 101-105.

Mukhidin, T.H. (2015). Studi Parametrik Antena Vivaldi Slot dengan Pencatuan

Mikrostrip in Proceeding of SENATEK 2015, 397-403.

Rajaraman, Raviprakash. (2004). Design Of a Wideband Vivaldi Antenna Array for

the Snow Radar. PhD dissertation/master’s thesis, University of Kansas.

62

Lampiran 2. Publikasi (2)

Developing of Ground Penetrating Radar (GPR)

Data Processing

Baso Maruddani1,2 and Efri Sandi1 1 Universitas Negeri Jakarta, DKI Jakarta 13220 Indonesia

2 DJA Institute, DKI Jakarta 13220 Indonesia

Email: basomaruddani@unj.ac.id; efri.sandi@unj.ac.id

Abstract—Ground Penetrating Radar (GPR) is one

of radar type that is often used to determine

conditions inside or below some surface. GPR is also

commonly used as a material evaluation tool by its

trait as a non-destructive testing (NDT). One of the

most important sections of GPR is signal processing

system or GPR data processing that will filter all of

the GPR survey results. Reflection signals gained by

the radar antenna are then filtered to discover any

objects located below the surface of the ground. The

better of process in filtering data, the more accurate

for GPR to interpret the gained signal. This study

aims to design a GPR data processing system that is

sufficiently be able to interpret the gained signal so

that can accurately discover any objects located on

the ground. This GPR data processing system is

expected to working on a variety of frequencies and

the application can develop in various types. The aim

of this study are designing and modifying the GPR

data processing system.

Index Terms—GPR, processing, dewow, filtering,

gain

I. INTRODUCTION

Applications for wireless communication

systems are vary greatly. Radar is one of the

applications where the transmitter and receiver

are in the same place. Ground Penetrating Radar

(GPR) is a wireless communication system that

is used to view any objects located under the

surface of the ground or behind the walls. GPR

can "view" through the ground by sending the

electromagnetic signals to a certain object and

then gaining a reflection signal from the signal

sent earlier and reconstructing that reflected

signal. How to reconstruct reflected signals is

by processing the reflected signals to be an

image. GPR design is highly depend on the

application to be used. Therefore, GPR to

"view" the inner surface is basically different

from GPR to see the shallow surface [1].

GPR has very wide applications, including

for geology, archeology, civil engineering, non-

destructive testing (NDT) and in the field of

defense and security. Several studies have been

conducted on GPR. Both from the hardware

side, namely the antenna, and from the software

side [2]. On the hardware side, research that has

been conducted was about the selection of the

GPR working frequency. The choice of antenna

working frequency used in GPR devices

depends on the application used, because each

antenna has a radiation pattern and some

characteristics will affect the final interpretation

of the GPR readings results [3]. Several studies

have been conducted in [4], [5], [6] to improve

the accuracy of the GPR reading results system

and the development of the antenna model used.

The antenna design has also been compared

comprehensively in [7]. Explained in [7] that

the antenna working frequency, antenna gain

and antenna impedance were tested to

determine the compatibility with the GPR

application that was implemented.

The research on GPR data processing has

been conducted in [2], [8], [9], [10], [11], [12],

[13]. In [2], software for GPR data processing

from R – language was created, called RGPR.

RGPR is built based on two classes to filter and

visualize GPR data by paying attention to step

by step data filtering process. There are many

63

basic methods of GPR data processing which

are implemented in the RGPR. However, the

RGPR is still under development and

improvement at this present. One of method that

used in RGPR is as stated in [14].

II. THE CONCEPT OF GPR DATA PROCESSING DEVELOPMENT

This study aims to develop a GPR data

processing, which is expected to can be used

freely. The development phase of GPR data

processing can be briefly explained in the Fig.

1.

As explained in [3], the editing and rubber

banding phases are the stages of preparing

survey GPR data that will be processed.

Information about the frequency which being

used, the distance between lines, the number of

lines, the number of traces, the type of file being

used and the others are things that must be

known from the beginning so that the data

processing in the