INVENZIONI E APPLICAZIONI "8": IL GEORADAR

di: DOTT. GIUSEPPE COTELLESSA (ENEA)

Prevedo che il principio di funzionamento del brevetto sarà utilissimo per questo tipo di applicazione:

METODO RADAR

http://www.gen-eng.florence.it/geosurvey/00_main/main.htm

principio di funzionamento:

Un tipico radar ad impulsi come quello impiegato nelle prospezioni terrestri (Georadar), opera mediante la generazione di onde impulsive ad alta frequenza (generalmente tra 100 e 1.000 MHz), che possono essere trasmesse all'obbiettivo da indagare attraverso un'opportuna antenna. Il parametro misurato è il tempo di propagazione dell'onda che, a seguito dell'intercettazione di ostacoli e discontinuità, ritorna in superficie e viene captata dall'antenna come eco riflesso.

ambiti di applicazione:

prospezioni ambientali

indagini geotecniche

studi architettonici

ricerche archeologiche

ricerca di sottoservizi

monitoraggi strutturali

identificazione di vani e oggetti celati

oggetti individuabili:

Le indagini delle aree tramite metodologia Georadar possono essere teoricamente condotte su ogni tipo di superficie e in ogni tipo di ambiente, tuttavia come tutte le prospezioni geofisiche, anche la tecnica Georadar presenta dei limiti che ne impediscono l'utilizzo in circostanze particolari. Nel campo di stretto interesse, i suoli argillosi e le strutture schermate da rivestimenti o altri particolari costruttivi in metallo, non possono essere esplorate perché in questi materiali conduttivi le onde elettromagnetiche (onde radar) sono rapidamente attenuate e assorbite.

Indagini georadar - specifiche servizio General Engineering

L’indagine effettuata tramite metodologia G.P.R. (Ground penetrating Radar) è una tecnica diagnostica geofisica non distruttiva, che consente di ottenere immagini del sottosuolo fino ad una profondità limite di 20 metri, a seconda della tipologia del terreno e del tipo di sensore utilizzato.

Le immagini ottenute sono le versioni strumentali di sezioni verticali relative ognuna ad un profilo lineare coperto dall'antenna mobile sulla superficie da investigare. Il radar (Radio Detecting And Ranging), radio rivelatore e misuratore di distanza, nella sua definizione più generale, è una apparecchiatura che permette di rilevare la posizione di un oggetto o di una cavità, dal confronto tra un segnale di riferimento emesso dal trasmettitore e quello riflesso dall'oggetto (bersaglio) di cui si deve determinare la posizione. Per questo scopo si utilizzano delle onde elettromagnetiche con frequenze normalmente comprese tra qualche centinaia di MHz ed alcune decine di GHz (le corrispondenti lunghezze d'onda nel vuoto sono 1 m per i 300 MHz, e 1 mm per i 300 GHz).

Un tipico radar ad impulsi come quello impiegato nelle prospezioni terrestri (Georadar), opera mediante la generazione di onde impulsive di alta frequenza (tipicamente tra 100 e 1.000 MHz), che possono essere trasmesse all’obbiettivo da indagare attraverso un'opportuna antenna. Il parametro misurato è il tempo di propagazione dell'onda che, a seguito dell'intercettazione di ostacoli e discontinuità, ritorna in superficie e viene captata dall'antenna come eco riflesso.

Mentre nell'aria l'onda elettromagnetica si propaga alla velocità di 300.000 Km/s, pari a di 30 cm/ns, nei materiali solidi e liquidi, essa è di gran lunga inferiore, normalmente variabile tra 5 e 15 cm/ns a seconda delle caratteristiche dell’obbiettivo stesso.

L'immagine grafica prodotta su monitor dagli echi riflessi appare come una sezione bidimensionale della superficie indagata, in cui l'asse orizzontale rappresenta il tragitto coperto dall'antenna lungo la superficie investigata, mentre quello verticale rappresenta i tempi necessari all'onda per coprire lo spazio, di andata e ritorno, che separa la superficie esterna dai punti di discontinuità che hanno provocato le riflessioni.

La legge che regola tale processo è matematicamente esprimibile nella semplice forma:

vm = 2d/t

ove vm rappresenta la velocità media dei materiali attraversati dal segnale, 2d il tragitto percorso e t il tempo impiegato.

La possibile profondità d’indagine dipende sia dalla frequenza del segnale trasmesso, che dall’attenuazione del segnale; in particolare l’attenuazione è funzione sia della distanza percorsa che delle caratteristiche del terreno attraversato.

Una volta ottenuta l'immagine strumentale, costituita da una serie di echi successivi - prodotti da eterogeneità situate a quote diverse - , sia in direzione verticale che orizzontale), occorre interpretare le particolarità grafiche della natura e forma di ogni elemento perturbatore.

La stessa conversione della scala verticale, da tempi a metri, di utilità e comprensione molto più immediate, presuppone la formulazione di alcune ipotesi sulle caratteristiche dei materiali costituenti lo strato in esame, che si traducono in diverse velocità di propagazione dell'onda. La fase interpretativa comporta un trattamento digitale del segnale con apposito software; la sequenza di elaborazione consiste inizialmente in una serie di filtraggi matematici, seguita da successive amplificazioni o attenuazioni di determinate porzioni del segnale. Il risultato di tale fase è riportato in formato digitale su planimetrie create con il software AUTOCAD 14 che, rappresentano sotto forma di disegni e simboli, il maggior numero di informazioni inerenti allo scopo dell’indagine

L’interpretazione qualitativa è in funzione della correlazione tra le anomalie della sezione radar e le anomalie ricercate,e richiede la determinazione della velocità media nelle superfici indagate.

L’applicazione delle metodologia Georadar consente l’identificazione di varie tipologie di oggetti e terreni tra cui:

Tubazioni sotterranee di plastica, metallo o cemento

Tondini di ferro presenti nel calcestruzzo armato

Perdite di gasolio o altri liquidi ad alta resistività

Diversi strati di un rivestimento

cavità naturali o artificiali

Reperti archeologici

Terreni di riporto, discariche e servizi interrati

Bidoni metallici e contenitori vari, oggetti e masse metalliche di ogni genere

Variazioni di stratificazioni geologiche e fatturazioni del terreno

Applicabilità:

Le indagini delle aree tramite metodologia Georadar possono essere teoricamente condotte su ogni tipo di superficie e su ogni tipo di ambiente, tuttavia come tutte le prospezioni geofisiche, anche la tecnica Georadar presenta dei limiti che ne impediscono l’utilizzo in circostanze particolari. Nel campo di stretto interesse, i suoli argillosi e le strutture schermate da rivestimenti o altri particolari costruttivi in metallo non possono essere esplorate perché in questi materiali conduttivi le onde elettromagnetiche (onde radar) sono rapidamente attenuate e assorbite.

Quanto sopra premesso, l’applicabilità della prospezione tramite GPR è comunque largamente superiore a tutte le altre metodologie geofisiche; questa prerogativa è inoltre potenziata dal fatto che i risultati di una indagine possono essere verificati in tempo reale, ossia direttamente sul luogo di intervento, abbreviando tempi e costi.

Modalità operative - preparazione delle aree:

Le aree soggette all’indagine Georadar vengono preventivamente misurate attraverso rotelle metriche e apposite strumentazioni laser, e planimetricamente suddivise in quadranti con area variabili che vanno da 0,25 m2 a 10 m2  in funzione dello scopo investigativo.

Tali operazioni si rendono necessarie al fine di referenziare rispetto a dei punti noti e dimensionare i profili tracciati con il radar sulle superfici oggetto di indagini e poter interpretare con maggiore facilità i dati ottenuti.

Profili effettuati su un cortile con riferimenti metrici

Profili effettuati su una volta per l’individuazione di tubazioni

effettuati in una piazza per ricerca di tubazione del gas e condotte idriche

Modalità operative - rapporto di prospezioni e descrizione planimetrica:

I dati registrati in campagna sono soggetti ad una analisi approfondita che si traduce in elaborazioni e filtraggi delle immagini radar, effettuati al computer con apposito software (RADAN). Ogni profilo viene interpretato e le informazioni risultanti sono tradotte in mappe digitali (formato Autocad R14-2000).

Le sezioni georadar interpretate sono riportate in pianta attraverso le rette colorate e indicate progressivamente da lettere dell’alfabeto, per una corretta localizzazione sul piano XY. Inoltre, sulle tavole dei risultati sono disegnati i profili che forniscono le informazioni in profondità (asse Z) delle aree indagate. Le anomalie riscontrate sono riportate nei disegni e identificate mediante apposite simbologie che la legenda allegata provvede a spiegare. Allegata alle tavole descrittive, viene allegata una relazione tecnica con la descrizione delle anomalie presenti e con i commenti finali dell’indagine.

Tutti i dati, le tavole autocad e relazione finale vengono forniti su supporto cartaceo ed in formato digitale su CD-ROM.

Alcuni degli strumenti per eseguire le indagini georadar:

SIR 2000 sistema GPR portatile:

ANTENNA 500 MHz:

ANTENNA 1500 MHz:

ANTENNA 600 MHz:

ANTENNA 300 MHz:

  

Approfondimento sul metodo di indagine radar:

Tra le varie metodologie geofisiche che possono essere impiegate nella ricerca di cavità, un discorso a parte merita il georadar. Si tratta di una tecnica che attraverso l'impiego di onde elettromagnetiche esplora il terreno con estremo dettaglio, consentendo di ottenere, in tempo reale, la "radarstratigrafia" del sottosuolo. Purtroppo, l'estrema sensibilità del sistema ne rappresenta anche il limite. Infatti, mentre trova ottimi impieghi in terreni "resistivi" ed aridi come: rocce compatte, alluvioni ghiaiose asciutte, lastricati, pavimentazioni ecc., il radar risulta praticamente "cieco" in terreni argillosi. L'alta conduttività di questi terreni dà luogo alla trasformazione dell'energia dell'impulso elettromagnetico in calore, con forte limitazione della profondità di penetrazione dello stesso (in terreni argillosi difficilmente si arriva ad una profondità di 2 metri).

L'impiego migliore del georadar risulta essere, fatte salve le limitazioni sopraddette, la ricerca di cavità e l'individuazione di strutture compatte al di sotto di lastricati o pavimentazioni come quelle dei centri urbani. È il tipico sistema di prospezione per centri urbani, aree pavimentate, lastricate, ecc. dove può essere praticamente considerato anche l'unico sistema d'indagine proponibile.

Si tratta di un metodo che permette di rilevare la posizione di un oggetto sepolto, misurando l'intervallo di tempo che intercorre tra un segnale elettromagnetico, (le onde elettromagnetiche utilizzate hanno frequenze normalmente comprese fra qualche decina di MHz e 1-2 GHz), emesso da un'antenna trasmittente e quello riflesso dall'oggetto di cui si deve determinare la posizione, captato da una complementare antenna ricevente, (per il formarsi di una riflessione, è necessario che ci sia una differenza nei valori della costante dielettrica "e" tra il materiale di copertura e quello della struttura sepolta: un’ottima differenza è quella fra il terreno ed il vuoto della cavità). In definitiva, viene misurato il tempo impiegato da un impulso a radiofrequenza emesso dal trasmettitore per arrivare all'oggetto e ritornare al ricevitore. Conoscendo la velocità di propagazione del segnale, (che dipende essenzialmente dalla costante dielettrica dei materiali attraversati), e il tempo misurato è così possibile determinare la profondità dell'oggetto riflettente. Poiché solo una parte dell'energia incidente su una discontinuità è riflessa, mentre la porzione rimanente viene trasmessa, gli impulsi radar consentono di mettere in evidenza anche orizzonti più profondi del primo, da ciascuno dei quali può essere riflessa una quantità di energia sufficiente per dare segnali, (e quindi tempi di arrivi successivi al primo), suscettibili di letture e interpretazione.

L'apparato strumentale è formato da un trasmettitore e da un trasduttore che costituiscono il complesso antenna-trasmettitore-ricevitore. Il sistema trasmettitore-ricevitore viene spostato lungo la superficie da indagare e per ogni punto di questa viene ricavato un valore del tempo di andata e ritorno. Si ottiene così una "sezione di tempi radar" da interpretare in base agli orizzonti riflettenti che si sono eventualmente messi in evidenza. Possono essere utilizzate sia apparecchiature analogiche che digitali, con rappresentazione dei dati sia in bianco e nero che a colori, con registrazione dei dati su carta (graphic recorder) o su supporto magnetico. La strumentazione ha la possibilità di utilizzare "antenne" (dispositivi di trasmissione e ricezione dei segnali elettromagnetici) di diverso tipo, in ordine alle profondità da raggiungere. Normalmente vengono utilizzate antenne da 100 a 500 Mhz.

Essendo un sistema d'indagine lineare, devono essere eseguiti il maggior numero possibile di profili, in modo da coprire uniformemente l'area da indagare.

L'elaborazione dei dati può essere anche di carattere qualitativo e i risultati sono riportati su elaborati planimetrici ove vengono disegnate sia le tracce dei profili eseguiti, che le posizioni delle anomalie riscontrate, cercando di distinguerne la natura e le orientazioni.

Il metodo radar può rappresentare un efficace complemento delle tecniche elettriche ed elettromagnetiche, qualora si voglia caratterizzare con estremo dettaglio un’area a profondità massima di 4-5 metri o qualora la situazione logistica non consenta l’uso delle altre tecniche.

Un contributo molto interessante e molto chiaro, che introduce ed illustra il metodo radar in generale e nelle applicazioni specifiche per l'architettura, è stato scritto dal Prof. Paolo Colombo ed è qui di seguito riportato:

introduzione al metodo:

"L'indagine radarstratigrafica appartiene a quelle metodologie non distruttive di indagine del sottosuolo denominate prospezioni geofisiche. Attualmente, grazie ad opportune modifiche alle strumentazioni ed alle modalità operative, è possibile l'indagine anche a piccole profondità per lo studio di dettagli di terreno o di manufatti. La tecnica chiamata radar ha dunque allargato i propri campi di impiego, per esempio in quello archeologico e nell'edilizia. Nel campo della conservazione la tecnica è ancora poco impiegata pur offrendo un'applicazione ampia e di valido aiuto per eventuali interventi mirati.

L'indagine radarstratigrafica è una tecnica di rilevazione elettromagnetica che consente di indagare la natura e lo stato fisico di elementi al di sotto delle superfici di finitura quali intonaci, rivestimenti, pavimentazioni.

Nelle strutture verticali è possibile rilevare: presenza di canne fumarie; presenza di tubazioni degli impianti; stratigrafia della muratura con individuazione delle superfici di separazione dei materiali differenti; presenza di umidità; verifica dell'ancoraggio di lastre di rivestimento su elementi strutturali; presenza di elementi in ferro.

Nelle strutture orizzontali è possibile rilevare: presenza di locali interrati, cavità, vecchie fondazioni; stratigrafia dei solai con individuazione dell'orditura e dell'elemento portante (legno, acciaio, cls armato); nelle volte la determinazione dello spessore del riempimento, e della struttura portante.

principio scientifico e caratteri della prova:

La metodologia radar si basa sull'utilizzo di onde elettromagnetiche ad alta frequenza che vengono immesse, riflesse e ricevute al fine di acquisire informazioni sullo stato fisico esistente nei materiali indagati. Le modalità di propagazione delle onde elettromagnetiche sono strettamente legate alle costanti dielettriche dei materiali. Le caratteristiche dielettriche derivano dallo stato fisico dei materiali (densità, porosità, permeabilità, conducibilità etc.), pertanto tutte le interfacce separanti mezzi con caratteristiche diverse possono essere individuate in modo tanto più certo quanto più alto è il contrasto fisico. In pratica, attraverso un dispositivo trasmittente-ricevente denominato antenna, collegato ad un registratore grafico, viene inviata nel mezzo di indagine una serie continua di impulsi elettromagnetici. In corrispondenza delle superfici di discontinuità una parte dell'energia trasmessa viene riflessa e captata dalla sezione ricevente dell'antenna mentre un'altra parte penetra ulteriormente per essere riflessa da una superficie sottostante. Contemporaneamente al movimento dell'antenna il registratore grafico produce una sezione continua spazio-tempo nella quale si osservano le tracce delle diverse riflessioni o, comunque, delle anomalie nella risposta.

L'indagine è a carattere esteso poiché, sebbene l'area indagata sia limitata alla superficie di appoggio dell'antenna ricetrasmittente, la registrazione si svolge facendo scorrere l'antenna su ampi trattati di investigazione. La tecnica radar necessita della scelta di un'opportuna frequenza dell'antenna ricetrasmittente.

In funzione della profondità di indagine e del tipo di obbiettivo dell'indagine si possono utilizzare antenne di differente frequenza: 100-300-500-1000 MHz tenendo in considerazione che al diminuire della frequenza aumenta il grado di penetrazione del segnale, ma diminuisce il grado di dettaglio e la sensibilità di rilevazione.

Il dato ottenuto dalla prova è denominato sezione radarstratigrafica. Quest'ultima ha carattere qualitativo in quanto consente l'interpretazione delle caratteristiche delle diverse "riflessioni" sotto forma di geometria e di intensità del segnale ricevuto. La sezione riporta in ascissa i valori delle distanze misurate rappresentati da tratti nominati marker posizionati all'atto della registrazione; in ordinata la sezione riporta i valori delle profondità espressi in nanosecondi e dai quali attraverso un'opportuna taratura si può risalire ai valori corretti in metri o centimetri.

La tecnica operativa del rilievo radar consiste nell'esecuzione di una serie di sezione radarstratigrafiche con lo scopo di posizionare con precisione le anomalie radar. L'antenna ricetrasmittente dovrà scorrere su una superficie piana e sufficientemente liscia. Eventuali difficoltà nell'interpretazione della sezione radar stratigrafica sorgono quando si indagano materiali con la medesima resistività. È dunque necessario operare delle elaborazioni e trattamenti del segnale ricevuto. Inoltre prima della prova occorre una corretta taratura al fine di correlare i tempi di riflessione con la profondità di indagine.

Proprio per limitare le difficoltà di interpretazione, attualmente la ricerca scientifica sta sviluppando la definizione di profili stratigrafici in 3D."

http://www.gen-eng.florence.it/geosurvey/00_main/main.htm

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