Indagini Georadar

Prospezioni con G.P.R. (Ground Penetrating Radar) – Tecnica Introdotta in Italia da Antonio Edoardo Bracci nel 1983

Studi e corsi di preparazione teorica e pratica sistemi SIR-GSSI (U.S.A.) a Parigi nel 1983, GEORADAR OYO (Giappone) a Londra nel 1985 e Tokyo nel 1987, 3D-RADAR (Norvegia) a Oslo nel 2008.

L’avanguardia continua: Strumentazione GSSI SIR 4000 con antenne da 400 MHz tipo Smart in modalità bistatica e monostatica ed a doppia frequenza 300/800 MHz

I principali campi d'impiego sono, nell’ordine: indagini in galleria per la valutazione dello spessore del rivestimento e verifica della presenza di anomalie nello stesso ed al contatto con i terreni di estradosso, ricerche archeologiche per la delimitazione delle aree di scavo, identificazione di cavità nel sottosuolo, ricostruzione delle reti di sottoservizi, studio di fenomeni di dissesto su manufatti e pavimentazioni stradali, rilievi per bonifica di ordigni bellici non esplosi.

METODO GEORADAR AD IMPULSI ELETTROMAGNETICI - G.P.R

Il metodo georadar, è basato sul principio della propagazione di impulsi elettromagnetici nei materiali e sulla loro riflessione in corrispondenza delle superfici di discontinuità dovute a variazioni di permettività dielettrica che generalmente, in questo contesto, è rappresentata dalla costante dielettrica dei materiali investigati.

Il principio di funzionamento della strumentazione georadar da noi utilizzata (SIR-4000 prodotta dalla GSSI-USA) può essere sinteticamente descritto nel modo seguente (vedi Figura 1): l'acquisizione dei dati avviene facendo scorrere un'antenna ricetrasmittente lentamente sulla superficie del terreno da investigare; nell'unità centrale sono generati dei segnali ad intervalli regolari che servono a sollecitare i circuiti elettronici dell'antenna trasmittente, da questa sono irradiati degli impulsi elettromagnetici che, propagandosi attraverso i materiali, vengono riflessi in corrispondenza delle interfacce di entità dielettriche diverse.

Gli eventi riflessi sono captati dall'elemento ricevente e inviati nell'unità centrale.

L’apparecchiatura consente di visualizzare su display a colori il radargramma registrato in tempo reale e simultaneamente memorizza i dati su disco rigido per la successiva elaborazione al computer con opportuno software.

Figura 1 - Principio di funzionamento del metodo georadar (GPR)

Lo scopo fondamentale del trattamento digitale dei dati al computer è quello di migliorarne l’aspetto tramite operazioni di filtraggio, normalizzazione, amplificazione, ecc. al fine di semplificare la lettura e quindi l’interpretazione delle eventuali anomalie.

Sull’asse orizzontale dei radargrammi sono visualizzate le progressive metriche della linea registrata mentre su quello verticale si trovano i tempi di percorso in andata e ritorno dei tragitti riflessi.

Figura 2 - Esempio di radargramma

La risoluzione orizzontale dei segnali dipende dal numero di scansioni per ogni metro di spostamento dell’antenna e la risoluzione verticale è direttamente proporzionale alla frequenza centrale degli impulsi emessi.

L'intensità degli eventi riflessi dipende dal contrasto fra i valori della costante dielettrica relativa dei materiali attraversati ed è tanto più forte quanto il contrasto fra le variazioni dielettriche è maggiore.

Il coefficiente di riflessione “r” varia da -1 a +1 ed in corrispondenza di tali valori è decisamente forte mentre in linea di massima si ricordi che per r compreso fra 0 e +/-0,2 il responso è debole, per r compreso fra +/-0,2 e +/-0,35 il contrasto è medio ed infine che per r superiore a +/-0,35 il responso è buono.

La profondità d'indagine non può essere stabilita a priori del rilievo ma dipende dall’assorbimento dell’energia elettromagnetica da parte dei materiali in cui essa si propaga e quindi dalla natura dei mezzi attraversati, dallo stato fisico degli elementi che li compongono e da fattori ambientali e/o locali quali la temperatura, la presenza della falda, umidità diffusa e cavità, lito-tipi argillosi, ghiaie e dalle condizioni di addensamento dei materiali attraversati dagli impulsi elettromagnetici, ecc.

Inoltre, l'obiettivo della prospezione e la profondità di penetrazione sono vincolati alla lunghezza d'onda degli impulsi: infatti se una struttura sepolta ha dimensioni molto piccole, essa viene rilevata soltanto con segnali di brevissima durata la cui elevata attenuazione a livello energetico ne limita però la penetrazione.

In sintesi: antenne con frequenze alte consentono una buona risoluzione fino a modeste profondità mentre antenne con frequenze basse offrono un dettaglio relativamente inferiore, ma permettono una maggior estensione di misura dal piano campagna.

Le antenne maggiormente utilizzate per indagini georadar sono elencate nella seguente Tabella 1.

Tabella 1 - Antenne GPR

In pratica, si ricordi che nel caso di buona penetrazione, il rapporto “profondità d’indagine/dimensioni dell’obiettivo” è di circa 3/1 (es. un bersaglio a profondità di m 3 dovrà avere un diametro/ingombro di circa m 1 per essere intercettato).

La ricostruzione di una sezione radarstratigrafica (conversione tempi-profondità) viene effettuata applicando, ai tempi di riflessione, i valori delle velocità di propagazione relativi alle costanti dielettriche dei materiali investigati, con l'eventuale supporto di tarature dirette.

La velocità media di propagazione delle onde elettromagnetiche è legata alla costante dielettrica dalla seguente relazione:

dove C = 30 cm/nsec (velocità della luce nel vuoto) ed e_r è la costante dielettrica relativa del materiale normalizzata a quella dell’aria.

La presenza di acqua o umidità nei materiali in esame, comporta un aumento della costante dielettrica relativa (vedi incremento della conduttività) e quindi una diminuzione della velocità degli impulsi elettromagnetici.

La conoscenza della costante dielettrica relativa è utile per determinare il tipo di materiale investigato e del suo grado di saturazione (Tabella 2).

Si fa presente che i radargrammi rendono evidenti i livelli riflettenti ed eventuali anomalie elettromagnetiche, dandone indicazioni quantitative e non qualitative.

La definizione di tali anomalie viene fornita nella fase d’interpretazione dei dati, in base alla tipologia (es. forma dell’oggetto che ha provocato la riflessione) ed alla continuità planimetrica di echi identici o assimilabili; in pratica si cercano di determinare le cause che le possono aver generate.

Tabella 2 – Costante dielettrica e grado di saturazione di alcuni materiali

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Storia della tecnica georadar in Italia di Bracci dal 1983 ad oggi

Di seguito si elencano sinteticamente i principali sviluppi apportati dai costruttori alle strumentazioni e software di elaborazione dati che sono stati adottati da Bracci dall’inizio di questa attività fino ai giorni nostri, per la fornitura dei rilievi descritti successivamente.

Sono citate alcune applicazioni effettuate nei decenni di lavoro, si mostrano foto, esempi di buoni radargrammi ed elaborati relativi ad importanti incarichi ricevuti e vengono ribaditi alcuni consigli pratici da tenere in considerazione prima e durante l’esecuzione di rilievi.

Nel 1983 per l’acquisizione dei radargrammi sono state utilizzate apparecchiature dell’americana GSSI con antenne monostatiche da 100, 300 e 500 MHz e dal 1984 anche quelle della casa giapponese OYO con trasduttori bistatici da 120, 250 e 600 MHz.

Le antenne sono costituite da un elemento trasmittente ed uno ricevente che la GSSI aveva alloggiato in un involucro unico (monostatiche) mentre i sensori della OYO erano predisposti in due contenitori separati (bistatiche).

La tecnica e la strumentazione giapponese è stata preferita inizialmente da Bracci, perché consentiva l’acquisizione di radargrammi che rispetto alla più maneggevole antenna monostatica, offriva una maggior profondità d’indagine, miglior qualità e quindi una lettura di eventi riflessi meno “offuscati” ma soprattutto permetteva anche di misurare in sito con la tecnica CMP (Common Mid Point) la velocità di propagazione degli impulsi elettromagnetici nei materiali investigati.

I radargrammi venivano stampati su rotoli di carta termosensibile in bianco/nero, letti ed interpretati studiandone le tipologie ed intensità dei segnali riflessi.

I risultati (sezioni radarstratigrafiche) erano rappresentati e restituiti ai clienti tramite disegni fatti a mano ed in seguito utilizzando la piattaforma AutoCAD con stampa mediante plotter a colori.

Con l’arrivo di pacchetti software per l’elaborazione dei radargrammi (Radan per GSSI  e Quasar per OYO), si è iniziato a memorizzare i dati su nastro magnetico per il successivo trattamento dei radargrammi e finalmente anche la relativa stampa a colori.

Strumentazione georadar OYO-YLR2 con antenne da 120 MHz

Negli anni ’90 la società giapponese ha acquistato parte di quella americana investendo sullo sviluppo della GSSI che è stata mantenuta di primo ordine sul mercato mondiale e pertanto alle apparecchiature OYO sono state affiancate (e gradualmente sostituite) quelle GSSI.

Nel frattempo anche altre case costruttrici avevano iniziato a commercializzare i loro sistemi georadar (vedi ad esempio: Pulse EKKO, RAMAC, IDS, ABEM).

Inoltre in quel periodo i dati non venivano più registrati su nastro magnetico bensì su supporto digitale – Hard disk interno alle console di acquisizione.

Apparecchiature miste OYO-GSSI di Bracci nel 1994

Strumentazione GSSI di Bracci nel 2010

Dal 2000 in poi, sono state sviluppate antenne denominate a tromba (Horn) per rilievi veloci (avendo uno scansionamento/secondo molto elevato) e non tenute a contatto col piano campagna, su pavimentazioni stradali, antenne con doppia frequenza e insiemi di antenne multiple (array) con frequenza singola e con frequenza modulabile (step-frequency).

Rilievo archeologico con 3D-RADAR,  Oslo (settembre 2008)

I sistemi con diverse antenne possono essere trascinati a mano o con automezzi, trovano un impiego preferenziale su vaste superfici da investigare e pianeggianti, essendo più ingombranti da gestire rispetto alle semplici antenne singole monostatiche.

In seguito si riportano alcuni consigli riferiti all’utilizzo di queste ultime che sono quelle maggiormente utilizzate nei rilievi da piccole a grandi profondità.

Suggerimenti per fornitori e committenti di prospezioni georadar

La teoria della propagazione degli impulsi elettromagnetici nel terreno è molto facile da comprendere ma è bene ricordare che la pratica a volte delude le attese per diversi fattori non tenuti nella dovuta considerazione dagli utilizzatori.

Infatti, se la tecnica viene adottata in contesti geologici o strutturali di misura ideali o comunque ottimali, il georadar fornisce buoni risultati, viceversa l’esito dei rilievi può essere scarso e di poca utilità.

Nei circa quarant’anni di questo lavoro, in alcuni casi, incontrando dei potenziali clienti, ho sentito la frase “ma il georadar non fornisce risultati utili”, ebbene sì, può capitare e cerchiamo di scoprirne le motivazioni.

L’operatore in fase di progettazione di un rilievo deve valutare i parametri fisici che intervengono nella propagazione delle onde elettromagnetiche nel sito di lavoro (permettività

e conducibilità elettrica, attenuazione, coefficiente di riflettività e risoluzione) e tener conto della litologia e addensamento dei terreni, grado di fratturazione delle rocce e soprattutto l’umidità nei materiali, che gioca un ruolo fondamentale sulla misura della profondità d’indagine e l’eventuale spessore del rivestimento se si opera in galleria.

Purtroppo, lo studio dei suddetti parametri vengono spesso trascurati da alcuni utilizzatori,  per mancanza di preparazione ed esperienza e/o troppa falsa sicurezza inculcata a volte ed inizialmente dai venditori delle attrezzature.

E’ fondamentale inoltre che prima di iniziare un rilievo georadar vero e proprio, si eseguano delle prove preliminari al fine di scegliere i parametri ottimali di registrazione.

Infatti, poiché durante l’acquisizione dati, sugli attuali display a colori delle apparecchiature è possibile valutare in tempo reale la qualità degli eventi riflessi, in caso di non soddisfacente risposta è opportuno modificare le impostazioni scelte inizialmente o suggerite dalle case costruttrici degli strumenti (es. scansioni per metro di avanzamento dell’antenna, tempo di registrazione e profondità del rilievo, filtri, amplificazione dei segnali, ecc.) e se del caso, cambiare anche l’antenna.

Note importanti su elaborazione dati, lettura ed interpretazione dei radargrammi

I radargrammi possono essere rappresentati in due modalità: scan o wiggle trace (scansione continua o tracce con forma d’onda dei segnali riflessi); normalmente viene utilizzata la prima ma per valutare i dettagli si consiglia la restituzione in wiggle come nell’esempio seguente.

Cavità nel substrato roccioso a 10 metri di profondità dal p.c. Range 400 nsec – Antenna bistatica da 120 MHz

Radargramma registrato in modalità “wiggle trace” per lievo radarstratigrafico ad alta risoluzione (Modena)

L’elaborazione serve prevalentemente a filtrare e ad aggiustare l’ampiezza delle tracce rendendole il più possibile “pulite da disturbi” e facili da leggere e non deve essere forzata con procedimenti o artefatti per cercare di generare eventi fantasmi pur di dimostrare un’apparente riuscita dei rilievi che però alla verifica diretta risulta ingannevole.

I radargrammi così trattatati rendono evidenti i livelli riflettenti ed eventuali anomalie, dandone indicazioni quantitative.

La definizione di tali anomalie non viene ricavata mediante formule o algoritmi ma sarà riconosciuta dalla lettura eseguita da tecnici di provata esperienza visiva nell’interpretazione dei dati, in base alla tipologia (es. forma dell’oggetto che ha provocato la riflessione) ed all’estensione degli echi captati dal sensore ricevente.

Qualora dall’interpretazione emergessero scarsi risultati, ai fornitori si raccomanda umiltà ed onesta di riferire al cliente soltanto quanto è stato possibile leggere sui radargrammi.

Se un evento anomalo non è interpretabile, deve essere considerato come “informazione” utile per integrare i rilievi con altre tecniche di esplorazione ed elemento di nuova conoscenza da tenere presente durante successive prospezioni georadar.

La maggior e frequente soddisfazione si riscontra lavorando con gli archeologi che in breve tempo, per mestiere vanno a verificare mediante scavi, quanto è stato loro diagnosticato.

A conclussione di queste note, ai clienti viene suggerito di affidarsi a fornitori di provata esperienza e conoscenza della tecnica georadar.

Esempi dei primi lavori e recenti eseguiti

Rilievi sui rivestimenti di gallerie in calcestruzzo e mattoni, stradali e ferroviarie

Galleria Pianacce 1983, 

Il primo rilievo georadar eseguito in Italia nel 1983 –Galleria sulla A14 della Società Autostrade SpA

Rilievo in galleria ferroviaria nel 1984 sulla linea Parma-La Spezia

Acquisizione dati in galleria Potenza

Centine nel rivestimento di una galleria stradale,

Indagine sul rivestimento di una galleria stradale in Basilicata per rilievo della posizione delle centine sull’estradosso

Tomografia georadar in foro di sondaggio meccanico per lo studio di ammassi rocciosi.

Eseguita per la prima volta in Italia da A.E. Bracci nel 1990 con sistema georadar RAMAC (Svezia)

Indagine in fori verso l’alto con antenne a frequenza di 60 MHz, Miniera di talco – Sondrio 1995

BBT tunnel del Brennero 2009

Rilievi con RACPAV (Radar Automatizzato per Controllo delle Pavimentazioni stradali ad Alta Velocità)

e Riprese Video con 4 telecamere.

Tecniche esclusive di A.E. Bracci applicate per la prima volta in Italia nel 1996.

Autodromo Dino e Enzo Ferrari, Imola 1997

Antenne georadar per rilievi su pavimentazioni bitumate.

Rappresentazione radargramma con un’antenna

Combinazione di rilievi con due antenne (GHertz 2,5  Horn bistatica e MHz 900 monostatica)

Indagini georadar per ricerche archeologiche ad alta risoluzione e con elaborazione 3D

Tombe, cavità, muri sepolti

Basilica di S. Pietro in Vaticano 2003

Pieve di Budrio 2005 Time slice ed Elaborato 3D – Tombe sotto al pavimento.

Rilievo georadar a Galeata (Forlì)

Scavi archeologici a Galeata (Forlì)

Rilievi per ricerca di eventuali ordigni bellici non esplosi a supporto di misure con magnetometro

401 Foto di radar 4000 con antenne 2x400 e DF

Magnetometro GSSI Profiler EMP-400 per rilievi georeferenziati 2019

 L’IMPORTANZA E VANTAGGI OFFERTI DALLE ANTENNE BISTATICHE

Le antenne sono costituite da un elemento trasmittente ed uno ricevente che possono essere alloggiati in un involucro unico (monostatiche) oppure in due contenitori separati (bistatiche).

L’acquisizione dei radargrammi con le antenne monostatiche è di più semplice realizzazione rispetto a quelle bistatiche in quanto il trascinamento di un singolo sensore è più maneggevole e di minor peso rispetto ai due trasduttori ma la tecnica bistatica offre una miglior qualità dei dati e quindi una lettura di eventi riflessi meno difficoltosa, una maggior profondità d’indagine e soprattutto permette di misurare in sito, con la tecnica CDP (Common Depth Point), la velocità di propagazione degli impulsi elettromagnetici nei materiali investigati e di eseguire rilievi in copertura multipla.

MISURA IN SITO DELLA VELOCITA’ DI PROPAGAZIONE DEGLI IMPULSI RADAR

Metodo continuo ad angolo variabile MIVAR

La tecnica di misura rappresentata nelle figure sotto, serve per determinare con precisione ed in sito, la velocità di propagazione degli impulsi georadar attraverso i materiali superficiali e di substrato.

In pratica non si fa altro che rilevare i tempi dei percorsi diretti fra l’antenna trasmittente e quella ricevente e di quelli provenienti da singoli riflettori relativi a tragitti diversi e determinati di volta in volta dalla distanza fra le antenne.

Analiticamente o graficamente si risale al valore della velocità reali degli impulsi trasmessi.

Inserire qui 502 503 504 505

RILIEVO IN COPERTURA MULTIPLA

Le antenne bistatiche hanno consentito l’acquisizione dei seguenti sismo-radargrammi.

Questo tipo di rilievo, di chiara derivazione da un modello di prospezione sismica a riflessione, ideato ed eseguito da Bracci e ritenuto ad oggi, unico in Italia, fa parte del lavoro di una tesi di specializzazione in scienze geofisiche, presentato nel 1994.

L’indagine è stata condotta lungo un tratto esteso circa 10 metri, di una via del centro storico di Santarcangelo di Romagna in corrispondenza di una grotta esistente alla profondità di circa 3 metri dal p.c., non intercettabile con la tecnica tradizionale a causa della scarsa risposta georadar dovuta alla presenza di umidità diffusa nei terreni tufacei ed a seguito di una perdita locale della veccchia conduttura fognaria.

Lo schema di acquisizione dati era progettato per punti-stazione, con partenza da un lato del tratto di studio mediante le due antenne a contatto e poi spostando per 24 volte l’antenna ricevente di 20 cm ottenendo così un sismogramma.

La suddetta operazione venne ripetuta 25 volte avanzando la posizione iniziale di 40 cm delle due antenne per registrare un nuovo file.

I files di dati furono memorizzati direttamente sul disco rigido di un computer portatile.

L’elaborazione dei sismo-radargrammi è stata realizzata mediante un software utilizzato per il trattamento dei dati sismici a riflessione.

Esempio di apertura delle antenne T/R separate per acquisizione dati, alcuni radargrammi con tracce ad offset variabile

per copertura multipla e radarsezione (stack) a riflessione - sezione radarstratigrafica, Santarcangelo di Romagna 1993,

A chi ne fa richiesta possono essere presentati i contenuti e gli elaborati relativi a specifici lavori eseguiti ed accennati nella descrizione di questo sito.