RANCANG BANGUN GROUND PENETRATING RADAR UNTUK MENDETEKSI SALURAN PIPA BAWAH TANAH

Transkripsi

1 RANCANG BANGUN GROUND PENETRATING RADAR UNTUK MENDETEKSI SALURAN PIPA BAWAH TANAH Amir D Program Studi Teknik Telekomunikasi Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Lhokseumawe Jln Banda Aceh-Medan Km Buketrata Lhokseumawe amir_pnl@yahoo.com Abstrak Ground Penetrating Radar disingkat GPR adalah sebuah peralatan yang berfungsi mendeteksi objek benda di bawah permukaan tanah pada jarak tertentu menggunakan gelombang radio. GPR dirancang untuk tujuan mengobservasi objek saluran pipa yang tertanam pada berbagai karakteristik elektrik medium tanah dan bekerja pada frekuensi 800 Hz dan bekerja pada daya pancar 1,5 watt. Elemen-elemen yang menyusun GPR terdiri dari sub-sistem pemancar (Tx), penerima (Rx), Detektor dan alat ukur atau display dan elemen antena pemancar dan penerima. Untuk mengobservasi pipa bawah tanah GPR menggunakan gelombang radio pulse repetition frequency. Pulsa yang dipancarkan oleh antena ke dalam tanah dimana pulsa ini akan mengalami atenuasi dan cacat sinyal selama perambatannya di tanah. Jika tanah bersifat homogen, maka sinyal yang dipantulkan akan sangat kecil. Jika pulsa menabrak suatu inhomogenitas di dalam tanah, maka akan ada sinyal yang dipantulkan ke antena penerima. Sinyal ini kemudian diproses untuk mengetahui jarak objek di dalam tanah dan keberadaan pipa. Dari hasil pengujian GPR memiliki kemampuan mendeteksi objek pipa didalam tanah pada kedalaman maksimum 15 cm dengan akurasi 96,67% pada jenis tanah berpasir, tanah liat tanah bebatuan dan jenis tanah gambut. Kata Kunci: Radar, penetrasi, gelombang, pulsa Kata Kunci: GPR, penetrasi, jarak Pendahuluan Dalam kehidupan sehari-hari permasalahan yang dihadapai oleh perusahaan air minum khususnya dalam melakukan kegiatan pemeliharaan, perbaikan dan pengembangan jaringan pemipaan adalah untuk medeteksi keberadaan pipa di bawah permukaan tanah yang dijadikan sebagai jalur join atau sambungan pipa atau kesulitan mencari letak pipa yang akan dikembangkan jaringannya. Kesulitan ini disebabkan oleh adanya perubahan struktur lingkungan seperti pengembangan sarana jalan, pengembangan bangunan. Kondisi ini dipersulit dengan ketidak tersediaan gambar lokasi pipa, sehingga mempersulit pekerjaan pemeliharaan, perbaikan dan pengembangan jaringan pipa tersebut. Dengan demikian pekerjaan pemeliharaan, perbaikan yang terkait untuk mencari posisi atau tata letak pipa dilakukan dengan cara melakukan penggalian secara acak sehingga keberadaan pipa yang ingin ditelusuri dalam tanah lokasinya tidak dapat diketahui dengan tepat dan penggalian salah sasaran sehingga terjadi inefiesiensi baik waktu maupun biaya dalam penyelesaian pekerjaan. Salah satu solusi yang ditawarkan untuk mengatasi hal tersebut adalah merancang sebuah alat Ground Penetrating Radar (GPR) yang digunakan untuk aplikasi mendeteksi lokasi pipa bawah tanah. 169

2 Beberapa penelitian pernah dilakukan untuk membuat GPR, seperti yang dilakukan oleh [1,2,3,4,5]. Keterbatasan utama dari GPR hasil adalah lokasi capaiannya yang spesifik dan antena GPR secara umum dioptimasi hanya untuk durasi pulsa tertentu. Jadi apabila GPR bekerja dengan impuls yang berbeda memerlukan antena yang berbeda. Beberapa faktor yang mempengaruhi antena dan proses pengolahan sinyal, antara lain; jenis objek yang akan dideteksi, kedalaman objek, karakteristik elektrik medium tanah atau properti elektrik dan cross copling antena [2,5]. Untuk menghasilkan pendeteksian yang baik, suatu sistem GPR harus memenuhi empat persyaratan berikut. Pertama, kopling radiasi yang efisien ke dalam tanah. Kedua, penetrasi gelombang elektromagnetik yang efisien.. Gambar 1 Prinsip kerja Radar tanah (GPR) Ketiga adalah menghasilkan sinyal dengan amplitudo yang besar dari objek yang dideteksi dan keempat adalah bandwidth yang cukup untuk menghasilkan resolusi yang baik. [6], Lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 1 Berdasarkan uraian di atas, maka kami tertarik untuk menawarkan sebuah kegiatan penelitian terapan dengan judul Rancang Bangun Ground Penetrating Radar Untuk Mendeteksi Saluran Pipa di bawah Permukaan Tanah. GPR didesain terdiri atas 3 bagian yaitu unit kontrol, sistem pemancar dan penerima dan peralatan display. Penelitian ini akan dilakukan di Laboratorium Radio dan Frekuensi Tinggi Program Studi Teknik Telekomunikasi Politeknik Negeri Lhokseumawe. Metode Penelitian Penelitian dilakukan dalam beberapa tahapan, diantaranya rancang bangun GPR, pengujian alat, analisa data hasil pengukuran Rancang bangun GPR dibagi dalam 4 sub-sistem yaitu; sub-sistem pemancar (Tx), sub-sistem penerima, sub-sistem antena dan sub-sistem detektor alat ukur. Luaran rancangan adalah prototipe GPR. Lebih rinci dapat dilihat pada Gambar 2. Setelah tahap perancangan, maka tahap penelitian selanjutnya adalah kalibrasi. Pada tahap ini, penelitian dilakukan untuk menguji apakah spesifikasi prototipe GPR hasil rancangan telah sesuai dengan spesifikasi yang diinginkan. 170

3 Timing Circuit Voltage Suply Pulse Generator Amplifier Voltage multiflier Detektor dan Alat ukur Tx Antena Rx Antena Gambar 2. Rancangan GPR Tahap berikutnya adalah menguji kinerja GPR hasil rancangan. Dalam pengujian dipilih 4 jenis tanah yang berbeda, lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar 3. Observasi dilakukan untuk melacak jarak pipa dalam tanah pada jarak yang berubah ubah, seperti diperlihatkan pada gambar 1. Untuk mengukur akurasi GPR hasil rancangan, pengamatan dilakukan dengan memilih jarak jangkau penetrasi maksimum untuk setiap jenis tanah yang di pilih, lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 4. Radar ( Tx ) Jarak penertasi gelombanng Pengukuran Dengan Radar Pengukuran Dengan Manual Alat Ukur (Akurasi) Tanah liat Tanah berpasir Tanah berbatuan Tanah gambut Gambar 3. Pengujian akurasi jarak jangkau penetrasi Pengukuran jarak benda dengan radar GPR Pengukuran Jarak Manual Dibandingkan (Standar Deviasi ) Akurat atau Tidak Gambar 4 Metode pengukuran akurasi 171

4 Hasil dan Pembahasan Spesifikasi Radar. Pengujian spesifikasi radar ditujukan untuk mengetahui apakah radar yang dirancang telah bekerja pada daerah operasi yang diinginkan. Ada 3 parameter yang diuji terkait dengan spesifikasi radar tersebut, antara lain; frekuensi kerja, daya pancar, cross coupling. Frekuensi dan Daya pancar. Secara umum pengukuran daya pancar dan frekuensi operasi dilakukan pada 3 titik disisi penerima, yaitu pada antena penerima, amplifier dan rangkaian pengali. Lebih jelasnya dapat dilihat pada Tabel 1,.2 dan.3. Tabel 1. Hasil pengukuran pada bagian antena ketika ada objek Amplitudo (Volt) Frekuensi (Hz) Perioda (ms) Daya Pancar (mwatt) 0, ,32 Pmax 760 Tabel 2. Hasil pengukuran sistem operasional amplifier ketika ada objek Amplitudo Frekuensi Perioda Daya Pancar (Volt) (khz) (µs) (Watt) 6 1, ,2 Tabel 3. Hasil pengukuran pada sistem rangkaian pengali tegangan ketika ada objek Amplitudo Frekuensi Perioda Daya Pancar (Volt) (Hz) (ms) (Watt) ,3 1,5 Dari data hasil pengujian pada tabel tersebut, diketahui bahwa daerah frekuensi kerja pada pemancar lebih kecil dari yang diharapkan yaitu 800 HZ atau frekuensi operasi hanya 769 Hz atau menyimpang pada harga standar deviasi sebesar 21,92. Jelasnya dapat dilihat pada Gambar 5. Gambar 5. Frekuensi operasi dari pemancar Untuk Spesifikasi daya pancar antara yang diset dan yang diukur sama. Artinya daya pancar yang diinginkan telah sesuai dengan yang direncanakan, seperti ditunjukkan pada Tabel 3 dan Gambar

5 Gambar 6. Perbandingan daya pancar Cross Coupling. Cross coupling adalah jarak minimum antara antena pemancar dan antena penerima yang tidak menyebabkan antena penerima dapat menerima sinyal langsung dari antena pemancar. Cross-coupling merupakan sinyal yang dikirimkan secara langsung oleh antena pengirim ke penerima. Untuk memaksimalkan pada target yang dideteksi maka antara antena pengirim dan penerima harus dipisahkan dengan jarak minimum. Dan hasilnya dapat dilihat pada Tabel 4. Tabel 4. Cross coupling Jarak (cm) Level Sinyal (Watt) Dari data pada tabel terlihat bahwa pada jarak 1cm sampai dengan jarak 1,6 cm, level sinyal secara langsung diterima dari antena pemancar ke penerima, sedangkan pada jarak 2 cm kondisi cross coupling tidak terjadi dimana sinyal yang sampai pada penerima sudah pada level yang tidak terdeteksi atau nol. Jelasnya dapat dilihat pada Gambar 7. Gambar 7. Sinyal cross coupling 173

6 Jarak Penetrasi. Pada pengujian ini radar GPR diuji untuk mendeteksi pipa di bawa permukaan tanah yang diset pada kedalaman 15, 10, 11 dan 12 cm. Untuk tanah berpasir radar GPR hanya mampu mendeteksi pipa pada kedalaman maksimum 15 cm, sedangkan tanah bebatuan, tanah liat dan tanah bergambut masing-masing kedalamannya secara berturut-turut 10 cm, 11 cm dan 12 cm. Lebih jelanya dapat diihat pada Tabel 5 dan Tabel 6 serta Gambar 8 dan Gambar 9 Tabel 5 Frekuensi kerja dan jarak penetrasi gelombang kedalam tanah Jenis Tanah Frekuensi (KHz) Jarak Penetrasi (cm) Pasir 0, berbatuan 0, Liat 0, Gambut 0, Gambar 8. Jarak penetrasi gelombang dalam tanah pada frekuensi 769 Hz. Tabel 6 Jenis tanah dan jarak penetrasi gelombang Jenis Tanah Jarak Penetrasi (cm) Pasir 15 berbatuan 10 Liat 11 Gambut 12 Gambar 9. Jarak penetrasi gelombang dalam tanah untuk jenis tanah yang berbeda 174

7 Akurasi Pengukuran. Akurasi pengukuran GPR terhadap objek yang dideteksi berdasarkan kemampuan jarak deteksinya diperlihatkan pada tabel 7 dan gambar 9. Untuk tanah berpasisr sebesar 86,67 sedangkan untuk tanah bebatuan, tanah liat, dan tanah gambut, akurasinya masing-masing 100% pada jarak jarak 10 cm, 11 cm dan 12 cm. Pada jarak lebih besar dari itu, tidak dapat dideteksi. Lebih jelasnya dapat dilihat pada Tabel 7 dan Gambar 10. Jenis Tanah Tabel 7 Akurasi pengukuran radar GPR Jarak Penetrasi (cm) Jarak Sebenarnya Akuasinya Pasir berbatuan Liat Gambut Rata-rata akurasi Gambar 10. Akurasi jarak penetrasi deteksi saluran pipa Kesimpulan dan saran Kesimpulan. Radar dirancang dan dibangun atas beberapa bagian, antara lain, subsistem pemancar, penerima, antena, detektor dan alat ukur. Jarak minimum yang menyebabkan sinyal pada antena Tx tidak terdeteksi oleh antena penerima atau cross coupling adalah 2 cm. Untuk observasi pelacakan pipa didalam tanah jarak penetrasi maksimum yang dapat dicapai 15 cm pada jenis tanah berpasir dan untuk tanah berbatuan 11 cm, tanah liat dan gambut masing-masing 11 dan 12 cm. Akurasi hasil pengukuran terhadap jarak penetrasi adalah 96,67 % untuk penetrasi dimana 10 < jarak < 15 cm pada permukaan tanah. Saran-saran. Bagi peminat penelitian ini dan ingin melanjutkan serta mengembangkannya penelitian di atas, disarankan untuk memperbaiki pada sisi pemancar. Sisi pemancar sebaiknya ditambahkan dengan penguat RF.. Saran lain resolusi alat ukur ditambah agar dapat membaca jarak yang lebih besar. 175

8 Referensi [1] Agus Dwi Prasetio, 2009,, Deteksi Dan Estimasi Dimensi Dan Lokasi Objek Bawah Tanah Pada Aplikasi Ground Penetrating Radar (GPR) Berbasis Pengolahan Sinyal C-Scan, ittelkom [2] Aim Kazuhiko, 2013, Fungsi dan Tata cara Radar Bekerja Mendeteksi Kecepatan Mobil, howstuffworks.com [3] D. J. Daniel, 1996, Surface Penetrating Radar, The Institution of Electrical Enginners. Boston, London [4] Folin Oktafani, 2011, Ground Penetrating Radar untuk Mendeteksi Benda-benda di Bawah Permukaan Tanah, P2 Elektronika dan Telekomunikasi LIPI [5] G. Richard Curry, 2005, Radar System Performance Modelling, Second edition, Artech House, Inc Boston London [6] Iwan Susilo, 2009, GeoRadar, Survey dan Pemetaan,Gespasia Wahana jaya, [7] Turner,1993,.Parameter Antena McGrawHill 176