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CIVIL ENGENEERING
GEOLOGY AND ENVIRONMENT
GROUND PENETRATING RADAR
LOSSES DETECTING RADAR SYSTEM
ARCHEOLOGY & CULTURAL HERITAGE
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CARGO INSPECTION
LOSS CONTROL
CHEMICAL ANALYSIS
INDUSTRIAL SYSTEMS AND TECNOLOGY
RESEARCH
INDAGINI GEORADAR
INTRODUZIONE .............................................................................................................. 2
PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO DEL GEORADAR.................................................. 5
MODALITA’ OPERATIVE SU LINEE E CONDUTTURE ............................................ 8
INDIVIDUAZIONE DEGLI SPANDIMENTI UTILIZZANDO GAS TRACCIANTI . 10
MODALITA’ OPERATIVE PER VERIFICHE STRUTTURALI ................................. 12
MODALITA’ OPERATIVE SERBATOI ATMOSFERICI............................................ 13
REFERENZE ................................................................................................................... 15
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INTRODUZIONE
Il Geoadar è un sistema elettronico, in grado di indagare i terreni e i materiali con
notevole dettaglio, utilizzando la riflessione d`onde elettromagnetiche appositamente
prodotte dal sistema.
Il risultato dell`analisi è costituito da tomografie che illustrano visivamente gli andamenti
delle discontinuità presenti nel sottosuolo, permettendo così di individuare la presenza
di materiali metallici, fondazioni in cemento, tubazioni, cavi, cavità, ma anche perdite di
fluidi in genere (acqua, idrocarburi, acque reflue, fogna oleosa…….) e disomogeneità di
varia natura.
L’indagine è effettuata utilizzando il sistema MCH SMA ISC composto da:
 Sistema di Controllo radar
 Sensori Antenna
Sistema di controllo radar
Il sistema di controllo del radar è composto da:
Unita di Controllo Radar DAD (Digital Antenna Driver)
Preposta a generare gli impulsi di controllo delle antenne, le caratteristiche tecniche
della DAD sono le seguenti:
2
•
Scan Rate: > 850 Scans/rate
•
Range: > 9999 nsec.
•
Architettura Hw :16bit
•
Numero di campioni per scansione: 128-4096
•
Numero di canali radar: 4ch
•
Lan ,Batteria
Fig.1– DAD
Pc portatile
Dedicato al controllo e al salvataggio del dato radar tramite il software K2 preposto alla
gestione delle informazioni radar.
Fig.2– Portatile dedicato alla gestione del dato radar.
Sensori antenna
Il sensore antenna utilizzato per la prospezione è costituito da:
Antenna TR SMA
Costituita da 4 sensori radar costituiti da antenne a 200MHz e 600MHz, dedicate alle
indagini di superficie e idonee alla valutazione della presenza di sottoservizi e per la
valutazione della condizione di saturazione del terreno.
3
Fig.3– Antenna TR SMA utilizzata per la prospezione radar.
Fig.4- Antenna TR SMA utilizzata durante le indagini.
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PRINCIPI DI FUNZIONAMENTO DEL GEORADAR
Tutti i mezzi reali assorbono le onde elettromagnetiche in misura dipendente dalle loro
caratteristiche elettriche. Un mezzo omogeneo parzialmente conduttore è definito da un
punto di vista elettrico da una coppia di valori:
•
costante dielettrica relativa
•
conduttività
Il sottosuolo è costituito da un mezzo eterogeneo le cui caratteristiche dielettriche sono
determinanti per l’individuazione di segnali ben definiti e interpretabili.
L’onda elettromagnetica generata dal radar è emessa nel sottosuolo mediante un
trasmettitore presente all’interno dell’antenna. Quando le onde elettromagnetiche
incontrano una discontinuità fisica, parte dell’energia incidente è riflessa, generando un
impulso di forma simile a quello trasmesso ma attenuato e distorto in fase e frequenza,
che è raccolto da un ricevitore .
La forma dell’impulso trasmesso è opportunamente calibrata in modo da ottenere una
distribuzione spettrale di tipo gaussiano con il valore centrale che rappresenta la
frequenza caratteristica, o frequenza centrale dell’antenna, la quale corrisponde alla
frequenza dominante dell’impulso. La frequenza centrale dell’antenna determina le
caratteristiche di risoluzione e di massima profondità di esplorazione ottenibile.
Le antenne possono operare in tre modi principali:
•
disposizione monostatica;
•
disposizione bistatica;
•
disposizione cross-polare.
Con la disposizione monostatica, trasmettitore e ricevitore sono assemblati in un’unica
struttura, permettendo di ottenere informazioni in tutta l’area indagata e di determinare
la profondità di bersagli. Tale disposizione è consigliata per ottenere informazioni
superficiali quali servizi e reperti archeologici con antenne a frequenza medio-alta (5001000 MHz).
5
Con la disposizione bistatica, trasmettitore e ricevitore sono separati e messi a una certa
distanza l’uno dall’altro. Il vantaggio consiste in una risposta più dettagliata nelle zone
più profonde, mentre lo svantaggio consiste nell’assenza di risposta in una porzione di
terreno in funzione della distanza reciproca dei due componenti. Tale disposizione è
consigliata per ottenere informazioni da zone profonde ed è generalmente impiegata
con antenne a frequenza medio - bassa (80-300 MHz) e finalità geologiche.
Con la disposizione cross-polare, trasmettitore e ricevitore sono ortogonali tra loro. Tale
disposizione è particolarmente utile nel riconoscimento di bersagli inclinati obliqui
rispetto alla direzione di trascinamento delle antenne e inoltre per particolari
applicazioni scientifiche in genere. Le sezioni radar rappresentano i risultati delle indagini
georadar. L’asse orizzontale riproduce la direzione di avanzamento dell’antenna, mentre
l’asse verticale rappresenta la direzione di penetrazione degli impulsi.
Tale distanza è espressa sotto forma di ritardo tra l’impulso emesso e quello riflesso ed è
quindi pari a due volte la distanza antenna-bersaglio.
Il valore del ritardo è convertito in valore metrico tramite la conoscenza della velocità di
propagazione del segnale nel mezzo.
L’oggetto
L’oggettosepolto
sepoltoviene
viene‘visto’
‘visto’dal
dalgeoradar
georadarin
inmodo
mododeformato
deformato
x-1 x0
x-N
x-NTrasmettitore x0
Antenna
d-N
x
Ricevitore N
Monitor
moto
antenna
d0
d-1
d0
dN
xN x
x1
d1
dN
d-N
oggetto sepolto
Acquisizione
Generazione
iperbole
Mappa radar
Fig.5- Principio di funzionamento del georadar
La visualizzazione radar di un bersaglio presente nel sottosuolo è mostrata in Fig. 5
Il segnale radar ricevuto dall’antenna è sempre caratterizzato dalla presenza di rumore
(“noise”) che deve essere rimosso al fine di enfatizzare il più possibile la visibilità dei
bersagli ricercati.
6
Numerosi sono quindi i processi di elaborazione cui il segnale è sottoposto prima della
fase d’interpretazione dei dati. Di seguito sono indicati alcuni dei principali processi
utilizzati:
Filtraggio verticale: Ogni singola traccia radar contiene un insieme di picchi che
presentano un determinato periodo. Lo scopo del filtraggio nel dominio del tempo
(filtraggio verticale) è quello di rimuovere tutte le frequenze spurie, cioè non connesse a
bersagli presenti nel sottosuolo.
Filtraggio orizzontale: L’insieme delle tracce connesse con una determinata struttura
definisce una frequenza orizzontale; l’obiettivo del filtraggio orizzontale (dominio
spaziale) è quello di rimuovere le basse frequenze (bande parallele) che non sono
connesse ad alcuna struttura, ma che si generano nella zona tra antenna e superficie.
Migrazione: Operazione specifica per la ricerca dei servizi. Infatti, grazie alla spiccata
sensibilità periferica delle antenne radar, i sottoservizi generano riflessioni ad
andamento iperbolico e il processo di migrazione consente di rimuovere le code di
queste iperboli conservando solo il punto di vertice che corrisponde alla posizione del
bersaglio. In questo modo è possibile la detezione di servizi anche molto vicini, che
altrimenti fornirebbero una riflessione molto confusa a causa delle riflessioni multiple.
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MODALITA’ OPERATIVE SU LINEE E CONDUTTURE
Individuata l’area in cui insiste la linea da indagare, in funzione della lunghezza è divisa in
settori per facilitare l’elaborazione software dei dati radar acquisiti (vedi es. fig.6)
SETTORE 1
SETTORE 2
SETTORE 3
SETTORE 4
Fig.6- Esempio di suddivisione in diversi settori
Vengono effettuate un numero di scansioni longitudinali e trasversali la strada o l’area
oggetto dell’indagine, sufficienti per ottenere una buona copertura (generalmente
scansioni con array di 1 metro sia longitudinalmente sia trasversalmente).
y
x
Fig.7- Visualizzazione singole scansioni.
Il volume investigato è in seguito sottoposto ad analisi tomografica che restituisce
immagini a diverse profondità sul piano x, y (vedi fig. 8). Lo spacing tra scansioni
successive può variare in funzione degli obiettivi prefissati.
8
Fig.8- Tomografie radar a diverse profondità.
9
INDIVIDUAZIONE DEGLI SPANDIMENTI UTILIZZANDO GAS
TRACCIANTI
Tale metodologia, utilizzata a supporto alla tecnologia georadar sopra descritta, utilizza
gas traccianti inerti che vengono immessi nel contenuto del serbatoio o nelle linee di
cui si deve verificare la tenuta. In caso di perdita, tali gas danno una risposta nel
sottosuolo grazie ad apposite sonde, opportunamente istallate, che qualificano l’entità
e l’esatta ubicazione dello spandimento.
Fig.9- Individuazione su radargramma di tre diversi sottoservizi.
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Fig.10- Esempio di visualizzazione 3D sottoservizi individuati.
Fig.11- Visualizzazione scansioni longitudinali e trasversali.
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MODALITA’ OPERATIVE PER VERIFICHE STRUTTURALI
Utilizzando apposite antenne radar è possibile indagare strutture in calcestruzzo quali
bacini, ponti, vasche, pilastri, pareti nonchè strutture sommerse.
Il maggiore dettaglio dei radargrammi ottenuti con antenne ad altissima frequenza ci
consente di individuare microfessurazioni presenti all'interno della struttura ed eventuali
ammaloramenti nascosti.
Fig.12- Individuazione armatura calcestruzzo.
Fig.13- Verifica strutturale parete sommersa.
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MODALITA’ OPERATIVE SERBATOI ATMOSFERICI
Dopo aver installato una serie di piezometri al di sotto del serbatoio da indagare in
numero adeguato alle dimensioni, vengono eseguite una serie di scansioni con un
apposita antenna radar progettata per lo scopo specifico.
Queste scansioni hanno lo scopo principale di individuare zone a diversa capacita
dielettrica del terreno di posa del serbatoio ed attraverso la visualizzazione e la
sovraesposizione di mappe tomografiche individuare eventuali spandimenti.
Nella figure seguenti è illustrata la modalità d’indagine.
Fig.14- Disposizione sonde.
Fig.15- Indagine bacino di contenimento.
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Fig.16- Tomografia scansioni fondo serbatoio.
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REFERENZE
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•
ENI SpA
•
VERSALIS SpA
•
ERG SpA
•
ISAB srl
•
SARAS SpA
•
API SpA
•
ENIMED SpA
•
RAFFINERIA DI GELA SpA
•
RAFFINERIA DI MILAZZO SpA
•
KUWAIT PETROLEUM ITALIA SpA
•
ESSO RETE DISTRIBUZIONE
•
PRIOLO SERVIZI
•
ENEL DISTRIBUZIONE SpA
•
ALFA CONSULTING

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