docAntenne GPR - dst.unisannio.it
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Antenne GPR - dst.unisannio.it
ANTENNA L'antenna è un trasdu.ore (disposi3vo a.o a ricevere segnali di determinata natura da un mezzo di trasmissione trasformandoli in altri segnali generalmente di diversa natura), trasduce o trasferisce all'ambiente circostante un segnale ele.rico che viaggia su un condu.ore; per il principio di reciprocità, cui l'antenna non si so.rae, vale anche il contrario, ovvero l'antenna è un trasdu.ore che trasduce in un segnale ele.rico un campo ele.romagne3co captato. L'antenna perme.e, quindi, a corren3 ele.riche variabili nel tempo che scorrono in un condu.ore di irradiarsi nello spazio come onde ele.romagne3che; e viceversa un'onda ele.romagne3ca che incide su un condu.ore produce una corrente ele.rica variabile nel tempo. Università del Sannio -‐ LM in Scienze e Tec. Geologiche -‐ Prospezioni Geofisiche -‐ 6 CFU -‐ R. Maresca -‐ a.a. 2015/16 1 Antenna dipolo Il dipolo aperto è l'antenna più semplice. E’ un condu.ore lineare (filo ele.rico sostenuto da apposi3 sostegni metallici), lungo metà della lunghezza d'onda sulla quale risuona, e tagliato a mezzo; proprio a metà il dipolo viene “alimentato”. Il punto di alimentazione è il punto in cui il segnale radio, captato dall'antenna, viene trasdo.o in segnale ele.rico e trasferito al condu.ore, che poi lo porta al ricevitore; oppure è il punto il cui un segnale ele.rico, generato da un trasmeYtore e portato da un cavo d'antenna, viene trasdo.o in segnale radio. Università del Sannio -‐ LM in Scienze e Tec. Geologiche -‐ Prospezioni Geofisiche -‐ 6 CFU -‐ R. Maresca -‐ a.a. 2015/16 2 Antenne GPR I sistemi GPR commerciali u3lizzano solitamente antenne dipolari, cos3tuite da una trasmi.ente (TX) e una ricevente (RX), le cui dimensioni sono dello stesso ordine di grandezza della lunghezza d’onda del segnale emesso. Nella Configurazione Monosta?ca trasmeYtore e ricevitore sono inclusi all’interno della medesima stru.ura. Questa modalità u3lizza per lo più antenne con frequenza medio-‐alta (400-‐1500 MHz). Nella Configurazione Bista?ca i due elemen3 sono separa3 e si impiegano tendenzialmente basse frequenze. Le antenne non eme.ono segnale ad un’unica frequenza, bensì all’interno di un certo spe.ro (bandwidth), compreso fra 1/2 fc e 2 fc , con fc frequenza centrale della banda , corrispondente ad un picco di intensità del segnale. Università del Sannio -‐ LM in Scienze e Tec. Geologiche -‐ Prospezioni Geofisiche -‐ 6 CFU -‐ R. Maresca -‐ a.a. 2015/16 3 Il comportamento dell’antenna risulta influenzato dagli effeY genera3 dall’accoppiamento con il terreno: si osserva una traslazione dello spe.ro verso frequenze più basse rispe.o a quelle emesse (downloading effect). Università del Sannio -‐ LM in Scienze e Tec. Geologiche -‐ Prospezioni Geofisiche -‐ 6 CFU -‐ R. Maresca -‐ a.a. 2015/16 4 Per applicazioni geologiche, in cui la profondità di penetrazione tende ad essere più importante di una elevata risoluzione Per applicazioni ingegneris3che, finalizzate ad o.enere elevata risoluzione entro piccole profondità Università del Sannio -‐ LM in Scienze e Tec. Geologiche -‐ Prospezioni Geofisiche -‐ 6 CFU -‐ R. Maresca -‐ a.a. 2015/16 fc ≤ 500 MHz fc ≥ 500 MHz 5 v = λ/P λ = v·∙P P = 1/fc A B C D E 500 2 0.6 0.2 0.1 Aria Granito Sabbia satura In tabella sono riporta3, per diversi valori della velocità di propagazione e per diversi valori della frequenza centrale dell’antenna, il valore del periodo in nanosecondi, e della lunghezza d’onda. Università del Sannio -‐ LM in Scienze e Tec. Geologiche -‐ Prospezioni Geofisiche -‐ 6 CFU -‐ R. Maresca -‐ a.a. 2015/16 6 Lobo di radiazione di un’antenna dipolare Questo 3po di antenna non ha irraggiamento lungo la sua direzione: dire.amente « sopra » e « so.o » l'antenna non vi è campo E.M. Università del Sannio -‐ LM in Scienze e Tec. Geologiche -‐ Prospezioni Geofisiche -‐ 6 CFU -‐ R. Maresca -‐ a.a. 2015/16 7 Lobo di radiazione nel mezzo terra All’interfaccia aria-‐suolo si verifica una prima rifrazione che provoca un cambiamento di direzionalità del fascio radar. Molta energia viene incanalata al di so.o dell’antenna e si propaga in un cono elliYco generalmente allungato. Il lobo di radiazione è generato da un’antenna a dipolo orizzontale, a cui sono qualche volta aggiun3 elemen3 di protezione (spesso lamine metalliche) che riducono la radiazione emessa verso l’alto (schermatura). Quando un’antenna a dipolo è posta in aria, il percorso della radiazione è approssima3vamente perpendicolare all’asse dell’antenna. Quando invece è posta a conta.o o nelle vicinanze del terreno, si ha un cambiamento nella forma dei lobi di radiazione a causa dell’accoppiamento con il terreno. Università del Sannio -‐ LM in Scienze e Tec. Geologiche -‐ Prospezioni Geofisiche -‐ 6 CFU -‐ R. Maresca -‐ a.a. 2015/16 8 Geometria del cono di radiazione Il cono di radiazione che interce.a una superficie piana orizzontale ne illumina una zona a forma di ellisse con asse maggiore parallelo alla direzione di trascinamento dell’antenna. D A= + 4 εr +1 λ (1) Cono elliYco della penetrazione GPR nel terreno. La equazione (1) definisce la geometria del cono al variare della profondità e della lunghezza d’onda. Il footprint è l’area illuminata della superficie rifle.ente. Università del Sannio -‐ LM in Scienze e Tec. Geologiche -‐ Prospezioni Geofisiche -‐ 6 CFU -‐ R. Maresca -‐ a.a. 2015/16 9 direzione di trascinamento dell’antenna La scelta dell’orientazione dell’antenna influenza grandemente i risultati ottenibili dalle indagini. Se la trasmittente e la ricevente sono poste perpendicolarmente alla direzione d’investigazione la sovrapposizione delle loro impronte risulta maggiore e ciò garantisce che oggetti sparsi all’interno del mezzo o riflettori possano essere osservati per profondità e intervalli di distanza più ampi. Università del Sannio -‐ LM in Scienze e Tec. Geologiche -‐ Prospezioni Geofisiche -‐ 6 CFU -‐ R. Maresca -‐ a.a. 2015/16 10 Il lobo di radiazione nel so.osuolo perme.e quindi di guardare non solo dire.amente so.o l’antenna, ma anche di fronte, in dietro e ai la3, man mano che l’antenna viaggia sul terreno. Risoluzione orizzontale L’ampiezza del footprint determina la risoluzione orizzontale: un footprint stre.o corrisponde ad una alta risoluzione orizzontale, un footprint largo dà luogo a bassa risoluzione orizzontale (Figura 12.10, Reynolds, 1997). Le antenne con elevata lunghezza d’onda hanno lobi più ampi di quelle con lunghezza d’onda minore. Es., il lobo di un’antenna da 300 MHz è circa tre volte più focalizzato di quello di un’antenna da 100 MHz e consente di indagare la stessa superficie con una risoluzione maggiore. Università del Sannio -‐ LM in Scienze e Tec. Geologiche -‐ Prospezioni Geofisiche -‐ 6 CFU -‐ R. Maresca -‐ a.a. 2015/16 11 Focalizzazione e dispersione in funzione di εr Effe.o della focalizzazione delle o n d e r a d a r c h e v i a g g i a n o a.raverso stra3 con εr crescente e perciò velocità decrescente. In caso di velocità crescente (εr decrescente) si ha il fenomeno della dispersione Università del Sannio -‐ LM in Scienze e Tec. Geologiche -‐ Prospezioni Geofisiche -‐ 6 CFU -‐ R. Maresca -‐ a.a. 2015/16 12 Profondità di indagine e risoluzione Ulteriore fa.ore da considerare nella scelta di una antenna è rappresentato dalla profondità di indagine. A causa della lunghezza del percorso dell’onda verso il target da individuare e dei fenomeni di assorbimento, l’energia di ritorno potrebbe essere più debole rispe.o al rumore e quindi irrivelabile. Antenne ad alta frequenza (> 400 MHz) forniscono elevate risoluzioni spaziali ma limitate profondità di penetrazione, quindi sono ada.e per inves3gare spessori modes3. Al contrario, antenne a bassa frequenza consentono una penetrazione superiore, con una penalizzazione, tu.avia, in termini di risoluzione spaziale. Università del Sannio -‐ LM in Scienze e Tec. Geologiche -‐ Prospezioni Geofisiche -‐ 6 CFU -‐ R. Maresca -‐ a.a. 2015/16 13 Fa.ori che influenzano la scelta di una antenna con una determinata frequenza centrale: ü Dimensioni dell’antenna (che sono proporzionali alla lunghezza d’onda del segnale emesso); ü Profondità d’indagine (le basse frequenze presentano coefficien3 d’assorbimento più bassi); ü Risoluzione ver3cale (distanza minima tra due rifle.ori risolvibile) e risoluzione orizzontale (ampiezza del footprint); ü EffeY di dispersione (quando un ogge.o presenta dimensioni comparabili con λ dell’onda emessa si ha una perdita d’energia a causa dei fenomeni di dispersione). Università del Sannio -‐ LM in Scienze e Tec. Geologiche -‐ Prospezioni Geofisiche -‐ 6 CFU -‐ R. Maresca -‐ a.a. 2015/16 14 Risoluzione ver?cale (rv) distanza minima tra due rifle.ori nel so.osuolo che ci perme.e di vederli dis3n3. La rv dipende da: profondità inves3gata (lunghezza d’onda del segnale) durata dell’impulso emesso Università del Sannio -‐ LM in Scienze e Tec. Geologiche -‐ Prospezioni Geofisiche -‐ 6 CFU -‐ R. Maresca -‐ a.a. 2015/16 15 Dipendenza della rv dalla profondità inves?gata La risoluzione ver3cale diminuisce con la profondità inves3gata. Dal momento che la profondità inves3gata dipende dalla lunghezza d’onda del segnale (λ), la rv dipende da λ. Generalmente si considera: λ = lunghezza d’onda del segnale In cui: v λ = fc = frequenza centrale della f c antenna rv = λ 4 Università del Sannio -‐ LM in Scienze e Tec. Geologiche -‐ Prospezioni Geofisiche -‐ 6 CFU -‐ R. Maresca -‐ a.a. 2015/16 16 Consideriamo due superfici di discon3nuità pressoché parallele (es. top e bo.om di un ogge.o sepolto). Affinchè le riflessioni da esse generate siano dis3nguibili, è necessario che la distanza tra le superfici stesse sia maggiore di λ/2, dove λ è la lunghezza d’onda dell’energia trasmessa. Se la distanza è minore (caso G, H e I in Figura), allora le onde riflesse risultan3 dal top e dal bo.om non saranno riconoscibili a causa dell’interferenza distruYva, mentre se è maggiore si individuano due riflessioni dis3nte e l’ogge.o può essere risolto (riflessioni A, B e C in Figura). Università del Sannio -‐ LM in Scienze e Tec. Geologiche -‐ Prospezioni Geofisiche -‐ 6 CFU -‐ R. Maresca -‐ a.a. 2015/16 17 Valori teorici di risoluzione e λ per differen3 frequenze Frequenza dell’antenna (MHz) 120 500 900 Lunghezza d’onda (cm) 62.5 15 8 Risoluzione vert. (cm) 15.6 3.75 2 Lunghezza d’onda (cm) 92 22 12 Risoluzione vert. (cm) 23 5.5 3 Sedimen' (V=0.075 m/ns) Roccia (V=0.110 m/ns) Aumenta il potere risolu3vo nella direzione della freccia (all’aumentare della frequenza dell’antenna), perché rv, che rappresenta la distanza minima risolvibile tra due rifle.ori presen3 nel so.osuolo, diminuisce ! Università del Sannio -‐ LM in Scienze e Tec. Geologiche -‐ Prospezioni Geofisiche -‐ 6 CFU -‐ R. Maresca -‐ a.a. 2015/16 18 Dipendenza della rv dalla durata dell’impulso emesso (Tp) Diminuendo la durata dell’impulso emesso, migliora la rv, ma, poiché diminuisce l’energia connessa all’impulso trasmesso, diminuisce parimen3 la capacità di penetrazione. Tp ⋅ Δf ≈ 1 I n g e n e r a l e , v a l e l a relazione: 2d min Tp < c dmin = distanza minima che deve esserci tra due rifle.ori perché possano essere risol3 3picamente Tp < 20 ns Università del Sannio -‐ LM in Scienze e Tec. Geologiche -‐ Prospezioni Geofisiche -‐ 6 CFU -‐ R. Maresca -‐ a.a. 2015/16 19
