Visualizzazione dei dati GPR

Un’indagine georadar sfrutta l’interazione tra un’onda elettromagnetica ed un oggetto che si trova all’interno del mezzo indagato (generalmente una data porzione del sottosuolo).

Quando un’onda elettromagnetica che si propaga nel sottosuolo incontra un’interfaccia tra due oggetti/orizzonti aventi differenti proprietà elettromagnetiche, la porzione dell’onda che colpisce l’interfaccia cambierà a causa di un processo che prende il nome di scattering.

Esistono 4 tipi di scattering: 1. Riflessione spettrale 2. Rifrazione

3. Diffrazione 4. Risonanza

2 _{La massima frequenza spaziale campionabile correttamente ( ) vale . Le frequenze spaziali maggiori di}

Il fenomeno della riflessione spettrale è controllato dalla legge di riflessione ( ), mentre la rifrazione è controllata dalla legge di Snell ( ) (Figura 2.23-a). Si ha diffrazione quando un raggio colpisce un’interfaccia con un angolo di incidenza critica ( )(Figura 2.20-b). Si verifica infine risonanza se la lunghezza d’onda del segnale è paragonabile alle dimensioni del mezzo scatteratore.

Un dispositivo GPR consente di registrare i diversi arrivi delle onde riflesse dal sottosuolo mentre viene mosso lungo una determinata direzione di survey. Il dato finale ottenuto prende il nome di

profilo georadar o radargramma e le diverse modalità con cui si ottiene sono mostrate in Figura 2.21.

Figura 2.20: a) Riflessione spettrale e rifrazione di un raggio in un’interfaccia tra due strati piano paralleli a diversa costante

dielettrica. b) Fenomeno della diffrazione: il raggio incidente ad un angolo critico viene completamente riflesso (Ribolini, 2012, Geomorfologia Radar, 2012)

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Figura 2.21: Diverse modalità di riflessione con relativi radargrammi. a) Riflettore orizzontale. b) Riflettore inclinato. c)

Riflettore puntuale. d) Riflessione da parte di un mezzo composto sa due strati (Ribolini, 2012, Geomorfologia Radar).

Le riflessioni dovute alle discontinuità presenti nel sottosuolo indagato non sono però i soli segnali registrati. In particolare si possono riscontare altri due tipi di segnali:

 i primi arrivi, rappresentati dalle onde dirette in aria (airwave) le quali viaggiano, alla velocità della luce, dall’antenna trasmittente direttamente al ricevitore;

 le onde dirette superficialmente (groundwave), che viaggiano attraverso la superficie di interfaccia tra superficie e aria.

La situazione che si presenta è mostrata in Figura 2.22.

Figura 2.22: a) Segnali ricevuti dall’antenna di ricezione (Fisher E. et al., 1996). b) Rappresentazione schematica dei

principali effetti rilevati (Ribolini A., 2012).

1) A-scan 2) B-scan 3) C-scan

2.4.3-a A-scan

L’A-scan è la rappresentazione su un piano cartesiano x-t di una singola traccia acquisita. Il sistema GPR acquisisce dati ad ogni stazione di misura lungo una linea, “plotta” i tempi di arrivo degli impulsi riflessi con le relative ampiezze e costruisce una traccia nel dominio del tempo.

Da un punto di vista pratico una A-scan può essere anche vista come la convoluzione tra l’ondina immessa dal trasmettitore nel terreno e la traccia di riflettività tipica dei sottosuolo (Figura 2.23).

Figura 2.23: a) Impulso trasmesso b) A-scan prodotta dalla convoluzione tra l’impulso in input ed la traccia di riflettività del

terreno (Lahouar, Development of Data Analysis Algorithms for Interpretation of Ground Penetrating Radar Data, 2003 ).

Osservando la Figura è possibile notare una serie di impulsi.

Il primo impulso intorno a 2 ns è rappresentato dall’airwave, associata all’accoppiamento diretto in aria tra antenna trasmittente e ricevente (coupling pulse) ed è privo d’informazione. Il fenomeno è dovuto all’utilizzo di antenne poco direttive le quali inviano segnali non solo sulla verticale ma anche in direzioni differenti; nel caso in cui la distanza tra le due antenne rimanga fissa, tale impulso è sempre caratterizzato da valori di ampiezza e ritardo costanti.

Il secondo impulso evidente intorno ai 5 ns è relativo alla groundwave, ovvero alla riflessione del segnale che si propaga nell’interfaccia aria-terreno (surface reflection). Questa riflessione è sempre presente: l’antenna è infatti sempre posta al di sopra del livello del terreno. Se l’altezza delle antenne da terra è costante anche tale impulso presenterà valori di ritardo costanti mentre, la sua ampiezza, dipenderà dalle caratteristiche del terreno.

La frazione d’onda non riflessa dall’interfaccia aria-terreno continuerà a propagarsi in profondità rendendosi disponibile per altre riflessioni. I tempi di arrivo in superficie delle riflessioni profonde saranno maggiori rispetto a quelle dell’airwave e della groundwave mentre le ampiezze, a causa dei fenomeni di attenuazione, risulteranno molto più piccole. Ciononostante le riflessioni relative alla sottosuperficie sono i veri portatori di informazione in quanto legate ai target in esame.

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In base al tempo di arrivo degli impulsi riflessi ed al valore stimato di alcune proprietà fisiche del substrato (costante dielettrica, attenuazione ecc), attraverso la A-scan il sistema può elaborare ad esempio una stima prima delle profondità delle tracce rilevate. Tuttavia la visualizzazione di tipo A-

scan, in realtà risulta troppo approssimativa. Nelle situazioni pratiche il sottosuolo è difficilmente

omogeneo; la presenza di materiali differenti può generare effetti che tendono a sovrapporsi tra loro ed inoltre fattori di disturbo e rumori possono contribuire a degradare il segnale acquisito.

L’estrazione di informazioni utili all’indagine del sottosuolo, analizzando una singola traccia, può risultare dunque molto difficoltosa; è allora necessaria l’acquisizione di un numero di tracce sufficientemente elevato ognuna associata ad una posizione diversa delle antenne poste in superficie rispetto ad un punto di riferimento.

Una visualizzazione di tipo B-scan permette, in una situazione analoga a quella appena descritta, di avere a disposizione una immagine complessiva di tutte le tracce ottenute durante una linea di acquisizione.

2.4.3-a B-scan

Una B-scan non è altro che un'immagine formata da un insieme di A-scan spaziate tra loro ed identifica ciò che nella pratica viene definito radargramma, ovvero una rappresentazione in 2D dell’ampiezza degli impulsi riflessi dalle discontinuità elettromagnetiche del terreno lungo l’intero profilo percorso. Mentre l’A-scan è funzione soltanto della profondità z, la B-scan è funzione della distanza percorsa x e della profondità z (o del tempo).

Un radargramma si ottiene ripetendo il ciclo di trasmissione e ricezione innumerevoli volte mentre si sposta progressivamente l’antenna lungo una direzione prefissata; il software del GPR provvede ad accostare opportunamente le singole tracce dei segnali.

Il risultato è quello mostrato in Figura 2.24. La B-scan può essere presentata in formato classico,

Wiggle Mode, in formato Gray Tones, oppure in Color Scales in modo tale da mettere in risalto i

diversi valori di ampiezza.

Figura 2.24: B-scan GPR post rimozione primi arrivi: a) Formato Wiggle Mode. b) Formato Gray Tones. Nella modalità

Wiggle Variable Area ogni traccia è rappresentata con l’area dei picchi riempita di nero, le modalità gray tones e color scale vengono invece create invece in base alla intensità e alla polarità dei picchi. (Ribolini A, 2012).

La rappresentazione mediante B-scan permette di ottenere un’immagine con un significato fisico di rilievo. La comparsa all’interno dell’immagine di zone aventi valori elevati d’ampiezza corrisponde alla presenza, nel sottosuolo, di discontinuità che possono ad esempio essere indicative della presenza del target cercato. Tale analisi potrebbe essere svolta considerando anche una singola traccia ma è chiaro come un’analisi in dominio B-scan consenta di realizzare considerazioni più ampie e complete. L’immagine così ottenuta può essere vista come una pseudo sezione verticale del terreno; nello

specifico, nel caso in cui la velocità di propagazione dell’onda sia nota, è possibile convertire l’asse delle ordinate dal dominio temporale al dominio spaziale.

L’interpretazione delle forme risultanti nei radargrammi è tuttavia un’operazione piuttosto complessa, che deve tener conto sia delle diverse velocità di propagazione dei materiali attraversati sia della geometria del cono di emissione delle onde elettromagnetiche inviate nel terreno.

2.4.3-c C-scan e timeslices

Le visualizzazioni viste fino adesso sono tipiche di acquisizioni effettuate lungo una linea. Un’acquisizione secondo una griglia permette invece di ottenere un volume di dati le cui dimensioni sono rappresentate dalle direzioni di acquisizione e dalla profondità.

Attraverso la combinazione dei radargrammi 2D delle linee della griglia è possibile infatti creare una rappresentazione volumetrica dell’intero sottosuolo investigato, tale rappresentazione è definita C-

scan.

La C-scan identifica l'immagine 3D del GPR come un cubo di dati su cui è possibile visualizzare diversi piani; la sua costruzione avviene attraverso l’affiancamento di più profili B-scan paralleli ed altri perpendicolari (Figura 2.25). Il fattore determinate per la creazione di una immagine 3D è l'interpolazione tra i campioni e tra le sezioni, operazione necessaria ma che può portare alla creazione di artefatti.

Figura 2.25: Esempio di C-scan incrociato con un radargramma (Ribolini A, 2012).

L’intero volume di dati può inoltre essere sezionato a tempi (profondità) variabili. La sezione può essere effettuata scegliendo sulle B-scan una finestra di una certa ampiezza temporale (Figura 2.26). All’interno di tale finestra vengono presi campioni di segnale a distanze regolari. I valori dei campioni vengono interpolati tramite tecniche statistiche con quelli dei radargrammi adiacenti che costituiscono l’unità minima di cella del reticolo di acquisizione. Si costruisce così una slice temporale (timeslice) con una distribuzione orizzontale dei valori di ampiezza di riflessione radar (Figura 2.27).

L’intero procedimento di costruzione delle C-scan è descritto in dettaglio nel Capitolo 5 di questa Tesi.

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Figura 2.26: Esempio di B-scan suddivisa in 5 finestre temporali.

Figura 2.27: Costruzione delle time-slice (Ribolini, Geomorfologia Radar, 2012).