GPR - Metodologia e applicazioni

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1 GPR - Metodologia e applicazioni La metodologia geofisica G.P.R. (Ground Penetrating Radar) permette di investigare sulla struttura e sulla composizione del sottosuolo attraverso l analisi delle riflessioni di onde elettromagnetiche ad alta frequenza trasmesse nel terreno. SOMMARIO 1. Principio di funzionamento 2. Le sezioni GPR 3. Interpretazione delle sezioni GPR 4. Applicazioni della metodologia georadar 1. Principio di funzionamento Il sistema G.P.R. trasmette nel terreno impulsi elettromagnetici di una determinata frequenza tramite un trasduttore (antenna). L impulso si propaga verticalmente nel Figura 1. Grafico dell andamento delle riflessioni di un impulso radar, opportunamente filtrato e amplificato. terreno con una certa velocità ; quando incontra una interfaccia (superficie di contatto tra due materiali diversi) parte dell impulso viene riflessa verso la superficie. L antenna riceve in superficie gli impulsi riflessi. In figura 1 è rappresentato l andamento del segnale ricevuto, opportunamente filtrato ed amplificato. Il primo impulso distinguibile è determinato dalla superficie del suolo su cui poggia l antenna; gli impulsi successivi sono legati alle anisotropie esistenti nel sottosuolo. L impulso di maggiore ampiezza del grafico in figura è il riflesso provocato da una forte anisotropia presente in

2 profondità. In base al tempo di arrivo degli impulsi riflessi ed al valore stimato di alcune proprietà fisiche del substrato, il sistema elabora una stima delle profondità delle interfaccia rilevate. Le proprietà fisiche dei materiali che governano la propagazione delle onde elettromagnetiche sono la costante dielettrica e l attenuazione. La costante dielettrica relativa (ε r ) è un parametro adimensionale che esprime il rapporto tra la velocità degli impulsi elettromagnetici nel vuoto e nel materiale in oggetto : c v ε r = 2 2 dove c è la velocità della luce nel vuoto (3 x 10 8 m/s) e v r è la velocità delle onde elettromagnetiche nel materiale considerato. La conoscenza della costante dielettrica relativa (o della velocità di propagazione v r ) è essenziale ai fini interpretativi, in quanto permette di calcolare la profondità (h) di una superficie riflettente. Infatti : h = ct r 2 ε r dove t r è il tempo trascorso tra l emissione e la ricezione dell impulso. L attenuazione esprime invece la diminuzione dell intensità del segnale per unità di lunghezza percorsa all interno del materiale. Essa può essere considerata una funzione complessa della conducibilità elettrica, un altra caratteristica fisica dei materiali, ed è espressa in db/m. In generale è possibile affermare che la profondità di indagine massima ottenibile in un determinato materiale dipende dal suo valore di attenuazione.valori elevati si hanno per i materiali caratterizzati da elevati valori di conducibilità elettrica, quali limi, argille, materiali cristallini solubili, metalli e acque

3 saline ; valori bassi sono invece caratteristici di rocce cristalline, ghiaie, sabbie e acque demineralizzate. La tabella 1 riporta i valori della costante dielettrica relativa e dell attenuazione (in db/m) per alcuni dei materiali più comuni. Si può rilevare come la presenza di acqua sia responsabile dell aumento dei valori di entrambi i parametri, sebbene con intensità diversa nei vari materiali. Materiale Attenuazione (in db/m) Costante dielettrica Secco Bagnato Secco Bagnato Asfalto Argilla Granito 0, Calcare 0, Sabbia 0,01-1 0,03-0, Cemento/mattoni Terreno sabbioso 0, Terreno argilloso 0, Tabella 1. Valori di costante dielettrica relativa e attenuazione mostrati dai materiali più comuni. I materiali caratterizzati da elevati valori di attenuazione limitano in modo determinante la profondità di indagine ; nelle argille plastiche, ad esempio, essa è ridotta a pochi centimetri e nei metalli è praticamente nulla. Per contro, i materiali ad elevato valore di attenuazione sono ottimi bersagli, in quanto riflettono buona parte della radiazione incidente. Risoluzione e profondità di indagine dipendono anche dalla frequenza delle onde elettromagnetiche utilizzate. In linea di massima, al crescere della frequenza si ha un aumento della risoluzione ed una diminuzione della profondità investigabile. Le

4 frequenze normalmente utilizzate sono comprese tra 100 MHz e 2 GHz. Generalmente si adottano frequenze standard di 250 MHz, 500 MHz e 1GHz, in ordine crescente di risoluzione e decrescente di profondità di indagine ottenibili. Figura 2. Esempio di profilo (o sezione) effettuato con sistema GPR. Si osservano le anomalie determinate dalla presenza di 4 cisterne interrate. 2. Le sezioni GPR Una sezione GPR si effettua ripetendo il ciclo di trasmissione e ricezione innumerevoli volte spostando progressivamente l antenna lungo una direzione prefissata; il programma di elaborazione provvede ad accostare opportunamente le tracce dei segnali ricevuti. Il risultato è quello esemplificato in figura 2. I segnali appaiono in varie tonalità di colore (o di grigio), in funzione della loro intensità. Per effettuare un profilo esistono due differenti tecniche operative : la metodologia in dominio di tempo e quella in dominio di spazio. Esse differiscono tra loro per le modalità con cui viene effettuata la ripetizione del ciclo trasmissione/ricezione dell impulso radar.

5 Nei profili in dominio di tempo gli impulsi radar vengono emessi ad intervalli di tempo costanti (da 1 a 100 ms). L operatore deve in questo caso muovere l antenna sulla superficie da investigare, lungo una determinata direzione, mantenendo una velocità costante. Soltanto così sarà possibile, in fase di interpretazione, associare la posizione di un riflettore individuato sulla sezione GPR alla reale posizione sul terreno. Nelle sezioni GPR in dominio di spazio l intervallo tra gli impulsi è regolato in funzione della posizione. I georadar in grado di operare in dominio di spazio si avvalgono di un trasduttore di posizione, mediante il quale il sistema tiene conto dello spazio percorso dall antenna. L emissione degli impulsi radar viene effettuata Figura 3. Esempio di sezione GPR per localizzazione di sottoservizi. Al centro dell immagine è ben visibile l anomalia ad iperbole determinata dall attraversamento di una tubazione che corre in direzione ortogonale alla sezione. ogniqualvolta il sistema rileva che l antenna (spinta dall operatore) ha percorso una determinata lunghezza (da 10 mm a 1 m). In questo modo l operatore può spostare l antenna più o meno velocemente, fermarsi e ripartire senza che ciò si ripercuota sull accuratezza della sezione. Le sezioni GPR in dominio di spazio offrono,

6 ovviamente, una precisione assai più elevata nella localizzazione dei riflettori in senso longitudinale. 3. Interpretazione delle sezioni GPR Una sezione GPR esprime l intensità degli impulsi riflessi dal substrato in funzione del tempo di arrivo e della posizione sulla superficie. Come si è detto, la sezione è di fatto il risultato della giustapposizione di molteplici cicli di trasmissione e ricezione degli impulsi radar; le diverse tonalità di colore (o di grigio) sono funzione dell intensità della radiazione riflessa. L interpretazione delle forme risultanti dalle diverse colorazioni delle sezioni GPR è una operazione piuttosto complessa, che deve tenere conto sia delle diverse velocità di propagazione dei materiali attraversati, sia della geometria del lobo di emissione delle onde elettromagnetiche inviate nel terreno. Le antenne utilizzate da molti GPR sono direzionali, ovvero emettono secondo una direzione preferenziale. La geometria del lobo di emissione è assimilabile ad un tronco di cono, più o meno serrato, che si apre verso il basso. Di conseguenza, le radiazioni possono intercettare bersagli che non sono posti esattamente lungo la verticale ; i loro riflessi giungeranno con maggiore ritardo (a fronte di un tragitto più lungo) e appariranno più profondi. Un esempio tipico di tale effetto è la forma ad iperbole mostrata in corrispondenza di piccoli riflettori (ad esempio tubi tagliati trasversalmente, armature metalliche, ciottoli..., si veda figura 3), i cui rami ascendente e discendente sono i riflessi registrati prima e dopo il passaggio dell antenna sulla verticale del bersaglio. I corpi estesi lateralmente (oggetti di grandi dimensioni, stratificazioni, fratture...) risentono in maniera minore dell effetto del cono di trasmissione e mostrano nei profili una forma più prossima a quella reale.

7 E dunque possibile, con una certa esperienza, fornire una interpretazione sufficientemente precisa delle anomalie radar individuate dalla sola osservazione delle sezioni. L interpretazione di anomalie di forma complessa o la determinazione esatta delle profondità degli obbiettivi richiedono un approccio diverso. In questi casi è utile ricorrere alla migrazione delle sezioni, un metodo di analisi normalmente utilizzato nella sismica a riflessione che, tenendo conto della velocità di propagazione delle onde nei diversi materiali incontrati e della geometria del lobo di emissione dell antenna, permette di ricondurre le riflessioni alla loro effettiva posizione sulla sezione. 4. Applicazioni della metodologia georadar Ingegneria civile Localizzazione di sottoservizi di varia natura (tubi metallici o plastici, cavi elettrici, cavi a fibra ottica, cloache, cunicoli...). Controlli strutturali su manufatti, ovvero individuazione di fratture, superfici di distacco, zone di ammaloramento dei materiali. Individuazione e riconoscimento del tipo di armature (tondini, putrelle, centine singole o accoppiate, reti elettrosaldate...) per interventi di restauro e per il collaudo di grandi opere (gallerie, viadotti, ponti, dighe, piste di atterraggio...). Ricerca e individuazione di strutture sepolte per la pianificazione di opere di scavo e di ricostruzione (corpi di fondazione, cisterne, cunicoli e condotte...). Geologia Determinazione della natura e della geometria del substrato, localizzazione di corpi rocciosi, trovanti, cavità carsiche... Determinazione dello spessore della coltre glaciale. Individuazione di discontinuità in genere (faglie, fratture, giunti, limiti litologici, paleosuoli...).

8 Archeologia Individuazione di strutture murarie, manufatti, camere sepolcrali, reperti di varia natura... Verifiche e perizie per il rilascio di concessioni e permessi di scavo in aree sotto vincolo archeologico. Ambiente Assistenza scavi e sondaggi per la minimizzazione dei rischi di cantiere Individuazione e delimitazione spaziale di suoli inquinati. Verifiche di tenuta su discariche controllate. Ricerca e localizzazione di discariche abusive, fusti sepolti. Geofisica forense Localizzazione di nascondigli, camere di detenzione, rifugi sotterranei, inumazioni... Ricerca e localizzazione di discariche abusive. Ricerca e localizzazione di ordigni bellici. PER INFORMAZIONI E PREVENTIVI Radar Geoservizi Via Durandi 2, TO Tel Fax Web: -

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