L’indagine è stata condotta attraverso l’impiego di un sistema GPR multicanale prodotto dalla IDS (Ingegneria Dei Sistemi S.p.A) e chiamato Stream X (Subsurface Tomography Radar Equipment
Assets Mapping).
Lo strumento opera ad una frequenza nominale di 200 MHz ed è composto da un array di 16 antenne dipolari (due moduli da 8 antenne) parallele tra loro e rispetto alla direzione del survey (Figura 4.1-a). In questo modo si garantiscono 15 canali di acquisizione, ovvero 15 radargrammi per ogni linea. Ogni canale è formato da una coppia di trasmettitore e ricevitore ed in pratica due ricevitori successivi hanno l’antenna trasmittente in comune che si trova nel mezzo tra i due.
I canali sono equispaziati tra loro ad una distanza di 12 cm, per cui attraverso una singola scansione si riesce a coprire una distanza nella direzione y (perpendicolare alla direzione di trascinamento dell’antenna) di 1.8 metri.
Lo scan/interval dello strumento è di 8 scans/m significa che per ogni metro percorso il dispositivo invia nel terreno otto impulsi. In pratica, ogni A-scan della stessa linea è separata dell’altra di 12.5 cm.
Il segnale impulsivo inviato nel terreno è polarizzato linearmente (la direzione del campo elettrico è sempre uguale durante il propagarsi dell’onda), mentre la polarizzazione dell’antenna è di tipo EV (il campo elettrico oscilla su un piano verticale rispetto alle direzione di propagazione dell’onda).
Lo strumento opera in Parallel Broadside Orientation (Figura C.11, Appendice C) e dunque la massima intensità di riflessione registrata si verificherà quando le orientazioni dei target saranno parallele rispetto ai sensori, mentre la minima si verificherà quando queste formeranno tra loro un angolo di 90°.
Dati il peso e le dimensioni notevoli, lo strumento è montato su un trolley e trascinato mediante l’uso di un mezzo meccanico a cui si aggancia (auto, quad, trattore ecc..). Mediante un PC è possibile controllare in tempo reale i progressi del survey.
Lo Stream X è inoltre dotato di un dispositivo di posizionamento GPS inserito in un apposito alloggio del trolley e collegato all’encoder. In questo modo è possibile determinare con più precisione il luogo e la distanza in cui inviare gli impulsi.
L’acquisizione è stata eseguita coprendo l’intera area in esame (descritta nel Capitolo 1). Lo strumento è stato attaccato ad un quad e quindi trascinato senza seguire una particolare maglia regolare, ma solo osservando direttamente sullo schermo i punti coperti dal GPS e se le linee effettuate fossero rettilinee.
Questo è stato possibile in quanto il software utilizzato per l’elaborazione colloca i profili effettuati in funzione dei punti GPS prelevati (Figura 4.3).
Un survey attraverso l’uso del GPS può dunque risultare vantaggioso soprattutto da un punto di vista dei tempi di acquisizione e di logistica (non occorre ad esempio misurare l’area e suddividerla in settori attraverso bindelle metriche).
I vantaggi nell’usare dispositivi GPR multicanale sono stati già trattati nel Paragrafo C.43 dell’Appendice C. Essi possono essere riassunti nei seguenti punti:
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Possibilità di indagare aree vaste in tempi rapidi
Possibilità di effettuare meno scansioni dispetto ai dispositivi monocanale
Alta risoluzione orizzontale e verticale
Possibilità di fornire immagini 3D abbastanza dettagliate dei target sepolti
Aliasing spaziale ridotto rispetto ai singlechannel
Riduzione dei tempi di lavoro in campagna grazie al GPS (si evitano i lunghi tempi di misura e di divisione delle aree - problema notevole se le aree da misurare sono estese).
Figura 4.1: a) Array di 16 antenne di cui è composto lo STREAM X, esse sono spaziate di 12 cm e forniscono 15
radargrammi. b) Foto dello strumento. Le antenne sono alloggiate all’interno del modulo arancione che rasenta il terreno.
Figura 4.2: Specifiche tecniche dello Stream X a 200 MHz (Brochure Stream X IDS).
Figura 4.3: Mappa GPS contenente tutti i punti prelevati dal GPS durante il survey. Data la piccola distanza tra le antenne
non è possibile distinguere le linee di acquisizione alla scala dell’immagine.
4.1.1 Settaggio e stima dei parametri caratteristici
La finestra temporale dell’antenna di ricezione è stata impostata pari a 128 ns, all’interno della quale sono stati presi 512 campioni. Essa è stata scelta prima di effettuare la misura in base a dei valori di profondità e volocità, stimati in funzione delle caratteristiche dell’area in esame, e calcolata mediante l’equazione 2.13.
Conoscendo dunque il tempo delle registrazione e il numero di campioni del segnale registrato (campionato) è possibile calcolare il passo di campionamento temporale come:
4.1 Da quest’ultima è possibile ricavare la frequenza di campionamento:
4.2 Si può adesso verificare se, nella fase di acquisizione del dato, l’uso di questa finestra temporale porta a fenomeni di aliasing temporale. Per farlo è necessario conoscere la frequenza di Nyquist ( ) e la frequenza più alta posseduta dal segnale trasmesso ( ). Queste si possono calcolare rispettivamente utilizzando le equazioni e 2.16 e 2.18:
4.3
4.4 Con frequenza centrale nominale dell’antenna.
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Come già visto nel Paragrafo 2.4.2-f, la corretta rappresentazione di una funzione continua attraverso un processo di campionamento è garantita solo se la frequenza di Nyquist è superiore o uguale alla frequenza massima dello spettro del segnale campionato:
4.5 Per cui:
4.6 Tale condizione può dunque ritenersi valida e di conseguenza il segnale campionato risulta privo di aliasing.
Si vuole adesso verificare se è soddisfatto il criterio di campionamento spaziale in direzione x (lungo le A-scan) e y (tra i profili). Tale criterio impone che la distanza tra i punti prelevati all’interno delle A-scan ( ) e la distanza tra i profili ( ) non superino un quarto della lunghezza d’onda associata alla frequenza massima del segnale. Per stimare la lunghezza d’onda è però necessario conoscere la velocità di propagazione dell’onda nel sottosuolo ( ), informazione approssimativa in quanto sia essa, che la frequenza del segnale non si mantengono costanti in profondità.
Dal momento che sui dati a disposizione è risultato difficoltoso osservare delle iperboli (i motivi di ciò saranno trattati più avanti, nel Paragrafo 4.5.3), la stima delle velocità è stata effettuata attraverso l’osservazione di un altro profilo effettuato sulla stessa area, ma con un’attrezzatura GPR diversa.
La velocità media trovata è risultata pari a , per cui:
4.7 4.8 I passi di campionamento spaziali nelle due direzioni (rispettivamente e ) risultano praticamente simili a , per cui il teorema di campionamento risulta soddisfatto e non si verifica aliasing spaziale in entrambi i versi.
Una volta conosciuta la velocità media è anche possibile determinare la risoluzione verticale ed orizzontale attraverso le relazioni 2.11 e 2.12.
La risoluzione verticale dello strumento sarà data da:
4.9 In cui è la larghezza di banda dello spettro del segnale GPR.
Significa che le caratteristiche strumentali e dei materiali geologici non rendono possibile riconoscere due oggetti che si trovano ad una distanza verticale minore di 17.1 cm.
La risoluzione orizzontale, come visto in precedenza, dipende dalla profondità (l’energia irradiata si espande lateralmente man mano che l’onda si propaga verso il basso, con un consequenziale aumento della larghezza della zona di Fresnel). Considerando ad esempio una profondità di 0.50 m la risoluzione orizzontale può essere calcolata come:
4.10 Attraverso questo strumento, e date le caratteristiche del materiale geologico, ad una profondità di 0.50 m è dunque possibile riconoscere due oggetti che si trovano ad una distanza maggiore di 41.3cm.