CAPITOLO 1
Il Ground Penetrating Radar
1.1. Brevi accenni sul funzionamento del GPR
Il radar sottosuperficiale, più comunemente chiamato Ground Penetrating Radar (GPR), è un sistema radar geofisico, sviluppato a partire dagli anni sessanta, per effettuare indagini non distruttive e ad alta risoluzione del terreno.
Lo scopo di questo sistema è quello di individuare ed identificare strutture ed oggetti sotterranei utilizzando la propagazione di onde elettromagnetiche ad alta frequenza (generalmente si utilizzano frequenze da 10 MHz ad 1 GHz) nel terreno: l’energia si propaga sotto terra e non appena incontra degli oggetti sotterranei viene riflessa per un processo di scattering e torna in superficie. In figura 1.1 è riportato il risultato pratico della propagazione di un’onda elettromagnetica nel terreno.
L’onda elettromagnetica è irradiata da un’antenna trasmittente (Transmitter Antenna) e si propaga verso il basso ad una velocità v che dipende dalle caratteristiche elettriche del materiale in cui si propaga:
r
c v
ε
= (1.1)
dove c è la velocità dell’onda in aria, pari a 8 m/s, ed
10
3⋅ εr è la permittività
relativa del materiale in cui l’onda si sta diffondendo.
L’onda si diffonde verso il basso e se colpisce un oggetto o una superficie con caratteristiche elettriche e magnetiche diverse da quelle del mezzo in cui si sta diffondendo (Soil) parte dell’energia viene riflessa e torna verso la superficie (Reflected Energy) mentre il resto continua a propagarsi verso il basso (Refracted Energy e Scattered Energy).
L’onda che torna in superficie è intercettata da un’antenna ricevente (Receiver Antenna) e registrata per le elaborazioni successive; essa è costituita dalla sovrapposizione degli echi dei diversi bersagli che si trovano nel diagramma di radiazione dell’antenna trasmittente.
In pratica, nel momento in cui l’antenna ricevente avverte la presenza di un onda riflessa, l’operatore può immediatamente ricavare la profondità P dell’oggetto che ha causato la riflessione:
2
tv
P= (1.2)
dove v è la velocità dell’onda data dalla (1.1) e t è il ‘two-way travel time’ cioè il tempo che intercorre tra la trasmissione e la ricezione dell’onda.
Naturalmente la stima della profondità del bersaglio sarà tanto migliore quanto migliore sarà la stima della velocità di propagazione.
Nella tabella 1.1 sono riportati alcuni valori di permittività e velocità in alcuni materiali di interesse per applicazione GPR [1].
Materiale ε r velocità [m/ns] σ
Aria 1 0.3 0
Acqua 81 0.033 0.1-30
Acqua del mare 70 0.033 400
Sabbia 4,6 0.15-0.12 0.0001-1
Sabbia umida 25 0.0055 0.1-1
Fango 10 0.095 1-10
Argilla 8-12 0.106-0.087 100-1000
Terreni costieri sabbiosi 10 0.095 2
Ghiaccio 4 0.15 0.1-10 Ghiaccio marino 4-12 0.15-0.087 Granito 5 0.134 0.00001 Calcare 7-9 0.113-0.1 0.000001 Dolomite 6-8 0.122-0.06 Quarzo 4 0.15 Carbone 4-5 0.15-0.134 Cemento 5-10 0.134-0.095 Asfalto 3-5 0.173-0.134
Tab.1.1. Proprietà elettromagnetiche e velocità in alcuni materiali: permittività elettrica relativa (εr), velocità dell’impulso, conducibilità (σ).
1.2. Accenni sullo sviluppo delle applicazioni principali del GPR
Le prime ricerche per lo sviluppo del GPR furono indirizzate principalmente alla rivelazione di mine ed altri ordigni inesplosi. Nel 1974 Lerner ottenne il primo brevetto [2] per la rivelazione di tunnel sotterranei in Corea e di mine, ma nessuna delle due applicazioni ebbe grande successo. Altri brevetti furono consegnati in seguito a Morey [3] ed a Young [4] e Caldecott [5]. Negli anni successivi il GPR fu
La ElectroScience Laboratory (ESL), con la sponsorizzazione della compagnia del gas, sviluppò un radar, prodotto dalla MACOM, chiamato Terrascan [6], il cui scopo era quello di effettuare una mappatura delle tubature di tutto il paese, ma il progetto non fu poi mai utilizzato.
Ancora oggi il GPR è largamente utilizzato nel campo dell’ingegneria civile per: - Rilievo di fondamenta, falde acquifere e strutture interrate;
- Mappatura di sottoservizi, tubature e cavidotti; - Ricerca di discariche abusive e di fluidi inquinanti;
- Monitoraggio di umidità nelle murature, strade, ponti, ecc;
- Ispezioni non distruttive per la valutazione dell’integrità di strutture (mura, tunnel, pavimentazioni);
- Valutazione dello spessore di strade e piste degli aeroporti;
Grazie al fatto che le ricerche effettuate con il GPR non sono intrusive, esso negli ultimi anni è stato efficacemente utilizzato nelle ricerche archeologiche. Alcune delle prime applicazioni che ebbero successo portarono alla scoperta di siti archeologici in Giappone [7] e a Tenerife [8].
In questo lavoro, dopo aver analizzato le varie fasi della acquisizione e dell’elaborazione dei dati, sarà posta particolare attenzione alle applicazioni archeologiche del GPR.
Riferimenti
[1] http//fate.clu-in.org/table.htm.
[2] R. M. Lerner, “Ground Radar System”, U.S. Patent 3 831 173, 1974. [3] R. Morey, U.S. Patent 3 806 795, 1974
[4] J. D. Young and R. Caldecott, “Underground pipe detector”, U.S. Patent 3 967 282, 1976.
[5] __ “Underground pipe detector”, U.S. Patent 4 062 010, 1977.
[6] A. C. Eberle and J. D. Young, “Development and field testing of a new locator for buried plastic and metallic utility lines”, in Transportation Research Record
631, National Academy of Science, 1977.
[7] D. Goodman and Y. Nishimura, “2-D synthetic radagrams for archaeological investigation”, in Proc. 4th Int. Conf. On Ground Penetrating Radar (Rovaniemi,
Finland, June 1992).
[8] F. N. Kong, J. Kristiansen, and T. L. By, “A radar investigation of Pyramids”, in
