Monitoraggio con metodologia dell’interferometria radar

Le tecniche di misura tradizionali utilizzate di frequente per la misura delle caratteristiche dinamiche di una struttura sono basate sull’uso di una catena di misura accelerometrica che comprende un trasduttore, un amplificatore ed un indicatore.

La catena di misura più completa è costituita da:

• trasduttore (in generale sono utilizzati gli accelerometri, in particolare sono molto diffusi quelli piezoelettrici);

• pre-amplificatore (amplifica l’ampiezza del segnale proveniente dal trasduttore che, solitamente, è molto debole. Il guadagno dell’amplificatore è in genere regolabile e la sua scelta è lasciata all’operatore);

• condizionatore di segnale (Il segnale amplificato viene poi trattato dal condizionatore di segnale che compie alcune eventuali operazioni, come il filtraggio, una ulteriore amplificazione, l’integrazione nel tempo, ecc.);

• convertitore analogico - digitale (il convertitore A/D permette di trattare il segnale con un calcolatore: il segnale proveniente dal trasduttore è un segnale "analogico" continuo, il cui andamento è analogo a quello della grandezza misurata; il convertitore A/D rileva il valore istantaneo del segnale a intervalli regolari di tempo, trasformandolo in un insieme discreto d numeri (segnale “digitale”);

• analizzatore di segnale (analizzatore di spettro o software per l’elaborazione del segnale)

• altri dispositivi (visualizzatore, stampante, plotter, ecc.).

Dal punto di vista applicativo per effettuare le misure occorre:

• effettuare uno studio teorico della struttura (ad esempio con il metodo FEM) per poter definire il tipo, il numero e le posizioni dei punti di misura e quindi dove applicare i trasduttori;

• dopo aver effettuato un sopralluogo preliminare occorre redigere un progetto della prova nel quale devono essere definiti le attrezzature, i ponteggi, ecc., per poter consentire ai tecnici di raggiungere (in sicurezza) i punti di prova;

• dal punto di vista applicativo si installano i trasduttori accelerometrici (con diversi sistemi che fanno uso di adesivi, di collegamenti bullonati, uso di magneti, ecc.) rendendoli solidali alla struttura (collegamento alle travi, alla soletta di impalcato, ecc.);

• Per il collegamento dei trasduttori alla centralina di acquisizione dati si possono utilizzare cavi schermati oppure un collegamento wireless;

• Prima di eseguire le misurazioni occorre effettuare una serie di test e di controlli sul segnale per valutare il corretto funzionamento del sistema di misura.

L’uso della tecnica di misura brevemente descritta presenta una serie di problematiche relative proprio all’installazione ed in particolare alla necessità di mezzi (come ad esempio ponteggi, gru, carrelli elevatori, ecc.) e personale (in aggiunta ai tecnici sperimentatori) per giungere in prossimità dei punti di applicazione. La facilità o meno di poter accedere alle zone di applicazione dei trasduttori può condizionare la scelta dei punti di interesse strutturale, oltre a porre seri problemi anche in ordine alla sicurezza degli operatori.

Vista la difficoltà operativa nell’uso delle tecniche tradizionali basate sull’applicazione in sito di sensori e centraline di acquisizione, che rende molto oneroso (anche in termini economici) la misura delle grandezze dinamiche di interesse strutturale, si sono sviluppati in questi ultimi anni metodi a “distanza” e, tra questi, oggetto del presente lavoro, è il sensore radar, denominato IBIS (Image By Interferometric Survey), sviluppato dall’Azienda IDS (Ingegneria Dei Sistemi SpA di Pisa) in collaborazione con il Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni dell’Università di Firenze, basato sull’applicazione dei principi dell’interferometria.

Il sistema IBIS si compone di un modulo sensore, un’unità di controllo su PC e un’unità di alimentazione. Il modulo sensore consiste in una apparecchiatura radar dedicata alla generazione, trasmissione e ricezione di segnali elettromagnetici. È costituito da due antenne per la trasmissione e la ricezione delle onde elettromagnetiche e utilizza una tipica architettura super-eterodina e un dispositivo Direct Digital Synthesis (DDS). Il DDS è formato da un circuito di base comprendente un controllore elettronico, una RAM, un riferimento di frequenza, un contatore e un convertitore digitale-analogico (DAC), il tutto per generare un'onda sinusoidale. La sezione radio-frequenza irradia ad una frequenza centrale di 16,75 GHz con una larghezza di banda massima di 300 MHz, di conseguenza, il radar è classificato come banda Ku-band, in accordo alle specifiche IEEE Standard 521-1984.

La calibrazione finale garantisce la necessaria stabilità di fase. Il modulo sensore viene di norma installato su un supporto rigido dotato di una testa rotante, che permette l’orientamento nella direzione desiderata.

Il PC di controllo, connesso al modulo sensore mediante un’interfaccia USB, consente la gestione del sistema, la configurazione dei parametri di acquisizione, la memorizzazione e l’elaborazione numerica dei segnali acquisiti, nonché la visualizzazione dei primi risultati in tempo reale. Inoltre l’unità di alimentazione fornisce energia al sistema attraverso batterie a 12 V.

Figura 4. Strumento IBIS - S

Il sistema è basato sulla tecnica SF-CW (Stepped-Frequency Continuous Wave) mediante trasmissione continua di successivi treni di N impulsi monocromatici ove il generico k-esimo impulso è caratterizzato dalla frequenza fk = fo + kf (k = 0, 1, 2, …, N –1). Gli N impulsi monocromatici effettuano il campionamento nel dominio delle frequenze dello spazio indagato, con larghezza di banda pari a B = (N –1) f. La risoluzione in distanza r dipende dalla larghezza di banda secondo la seguente relazione (c= velocità della luce):

B r c

 2



Nel sensore IBIS, la tecnica SF-CW è implementata in modo da ottenere una risoluzione in distanza di 0,50 m; pertanto due bersagli possono essere individuati singolarmente dal sensore se la loro distanza relativa è maggiore di 0,50 m. Il modulo sensore trasmette e riceve l’intera larghezza di banda alla frequenza massima di 100 Hz, cosicché il corrispondente intervallo temporale t = 0,01 s è pienamente adeguato a descrivere accuratamente le storie temporali di spostamento per un sistema strutturale. Una volta che l’immagine dello scenario illuminato dall’antenna radar è stata determinata con passo temporalet, lo spostamento di ogni bersaglio individuato nello scenario è valutato usando una tecnica interferometrica. In generale, infatti, le onde elettromagnetiche riflesse da un oggetto in movimento rispetto al modulo sensore emittente presentano differenti valori di fase in istanti successivi. Ne discende che lo spostamento del bersaglio considerato può essere determinato in base alla differenza di fase misurata dal sensore radar nei successivi tempi discreti di acquisizione. Lo spostamento radiale d^p (ovvero lo spostamento lungo la direzione di propagazione dell’onda elettromagnetica) e la differenza di fase sono legati dalla relazione seguente:

 

 

 4 dp

La tecnica interferometrica fornisce una misura dello spostamento radiale d^p. Ogni altra componente dello spostamento è facilmente determinabile con considerazioni geometriche. Ad ogni istante di tempo campionato, sia le componenti in fase che in quadratura dei segnali ricevuti sono acquisiti in modo che i dati risultanti sono costituiti da un vettore di N campioni complessi, che rappresentano la risposta in frequenza misurata a N frequenze discrete. Effettuando la Inverse Discrete Fourier Transform (IDFT) la risposta viene ricostruita nel dominio del tempo.

Viene, infine, costruito il profilo in distanza (Range profile) degli echi radar che fornisce una mappa tridimensionale degli oggetti nello spazio in funzione della loro distanza relativa dall'apparecchiatura. Nella figura seguente è visualizzato, con riferimento a un caso reale, il Range profile espresso in scala lineare in funzione dei singoli rangebin, è inoltre possibile selezionare quale rangebin analizzare.

Figura 5. La vista in scala lineare mostra in particolare i bersagli individuati sulla struttura Il nuovo sistema radar è quindi capace di misurare la risposta dinamica in termini di spostamento di differenti punti di una struttura, con una sensibilità di circa 0,01÷0,02 mm con una frequenza di campionamento sino a 100 Hz, per cui risulta utile per le strutture di interesse civile ed industriale.

Nella figura seguente si mostra un tipico output nel dominio del tempo e delle frequenze.

Figura 6. Time history di alcuni segnali misurati dall’IBIS-S

Figura 7. Elaborazione di un segnale nel dominio delle frequenze e individuazione delle frequenze naturali del sistema

I vantaggi del metodo possono essere così riassunti:

• il monitoraggio remoto può essere eseguito senza la necessità di accedere direttamente alla struttura per installare sensori o bersagli ottici. In casi speciali, quando la struttura non è sufficientemente riflettente alle onde elettromagnetiche o quando deve essere misurato lo spostamento di punti specifici, si può far ricorso a elementi riflettenti passivi (corner reflector) il cui montaggio risulta particolarmente agevole e veloce;

• l’interferometro radar è veloce e facile da installare e può essere usato sia di giorno sia di notte, in tutte le condizioni ambientali;

• il sensore può essere utilizzato per la misura degli spostamenti sia in condizioni statiche (ad esempio, durante una prova diretta di carico) sia in condizioni dinamiche (ad esempio, durante le normali condizioni di esercizio dell’impianto industriale).

5 Conclusioni

Come sopra evidenziato nell’introduzione, i gestori degli stabilimenti sono chiamati a presentare le risultanze delle verifiche sismiche e delle eventuali misure di adeguamento sismico su attrezzature spesso soggette anche a fenomeni di invecchiamento.

Dal punto di vista sismico è necessaria una caratterizzazione dinamica sperimentale di tipo globale, atteso che per molte strutture al periodo fondamentale è associata la maggior parte della massa e quindi delle forze sismiche sollecitanti l’impianto e condizionanti, anche economicamente, la verifica.

Fra i metodi sperimentali e più innovativi, nel presente lavoro si propone il metodo della interferometria radar, la quale comporta una serie di vantaggi dal punto di vista operativo e della sicurezza, consentendo, tra l’altro, di svolgere le prove durante l’esercizio dell’apparecchiatura senza necessariamente interromperne il servizio.

Questo approccio di tipo globale, permette di analizzare l’attrezzatura durante l’effettivo esercizio, fornendo valutazioni in tempo reale e non in determinati periodi quali ad esempio quelli programmati delle fermate di stabilimento.

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Approcci metodologici innovativi per la gestione del rischio sismico in