Analisi

I rilievi georadar o GPR (Ground Probing Radar) si basano sulle riflessioni nel sottosuolo o nelle strutture captate da un’antenna ricevente di un segnale elettromagnetico di carattere impulsivo ad alta frequenza che è inviato da un’antenna trasmittente. La presenza di discontinuità delle proprietà elettromagnetiche nel materiale provoca fenomeni di rifrazione, riflessione e diffrazione dell’energia elettromagnetica incidente su tale discontinuità. In generale, si analizza la risposta della parte di energia che viene riflessa in corrispondenza delle discontinuità del mezzo e che ritorna in superficie e viene captata da un’antenna ricevente.

I principi di funzionamento del georadar sono molto simili a quelli del radar convenzionale, con alcune sostanziali differenze che riguardano il mezzo di trasmissione, cioè rocce e terreni; la risoluzione, in genere decimetrica o centimetrica e il campo di misura, che si limita ad alcuni metri di profondità.

Nella schematizzazione più semplice un sistema georadar si compone di:

Poiché gli impulsi sono ripetuti con frequenza di 100÷400 kHz le tracce rilevate dall’antenna ricevente sono mediate prima di essere registrate: in tal modo, ogni singola traccia registrata è il risultato di un’operazione di somma, che ha come effetto l’aumento del rapporto segnale/rumore e quindi il miglioramento del segnale.

Il sistema radar utilizzato è un dispositivo di tipo impulsato che può operare nel campo di frequenza compreso da qualche decina di MHz a qualche GHz; esso è caratterizzato dall’emissione di un segnale che può essere assimilato a un impulso avente una durata di qualche nanosecondo (ns). In dominio di frequenza l’energia dell’impulso è compresa in una banda centrata alla frequenza del segnale suddetto, di larghezza circa pari alla metà della frequenza nominale dell’antenna.

L’intervallo di tempo tra l’impulso emesso e l’arrivo dell’energia riflessa da un bersaglio dipende dalla profondità del bersaglio e dalla velocità di propagazione del mezzo. La rappresentazione delle ampiezze del segnale ricevuto dal georadar su un diagramma tempi, è la modalità base di rappresentazione di un segnale. Spostando l’antenna lungo una direzione prestabilita e accostando i diversi diagrammi tempi vs. ampiezze per i successivi segnali, si ottengono delle sezioni georadar, detti radargrammi, in cui le ampiezze di riflessione sono rappresentate in funzione del tempo di andata e ritorno (TWT – two way traveltime) e della posizione dell’antenna lungo il profilo d’acquisizione. La collocazione in profondità di una zona riflettente viene quindi ricavata dai radargrammi attraverso la velocità di propagazione dell’impulso radar nel materiale.

La risoluzione del georadar è la capacità di distinguere due riflettori tra loro vicini. Si può distinguere in risoluzione verticale e orizzontale. Per risoluzione verticale s’intende la minima distanza misurata lungo la verticale tra due oggetti riflettenti per la quale è possibile distinguere le singole riflessioni. Data la frequenza nominale, o centrale, dell’antenna, la risoluzione verticale si assume pari a 1/4 della lunghezza d’onda associabile all’impulso elettromagnetico. La risoluzione orizzontale, cioè la capacità di discriminare due oggetti posti alla stessa profondità, è a sua volta funzione di molteplici fattori tra cui, principalmente, le caratteristiche d’apertura delle antenne, la separazione tra antenna trasmittente e ricevente e le caratteristiche d’attenuazione del mezzo. Una misura della risoluzione orizzontale è data dal cosiddetto raggio della prima zona di Fresnel, che descrive la minima area risolvibile.

Per quanto riguarda l’angolo d’apertura delle antenne, si può affermare che la risoluzione orizzontale del georadar, migliora al diminuire della larghezza del fascio conico emesso dall’antenna trasmittente.

L’indagine elettromagnetica in dominio di frequenza a basso numero d’induzione (slingram) è una tecnica speditiva che prevede misure su maglie regolari con passo dipendente dalla risoluzione spaziale richiesta, attraverso l’impiego di dispositivi detti conduttivimetri e operanti con frequenza dell’ordine di grandezza del kHz. Il principio di funzionamento della strumentazione utilizzata prevede che una corrente alternata venga fatta circolare in una bobina (trasmittente), generando un campo magnetico primario che si propaga nel terreno; una seconda bobina (ricevente), posta a distanza fissa dalla prima, acquisisce un campo magnetico secondario attenuato e ruotato di fase rispetto al campo primario. Le caratteristiche del campo secondario dipendono dalle caratteristiche di conducibilità elettrica e di suscettività magnetica delle strutture nel sottosuolo. La mappatura delle risposte in fase e in quadratura del campo magnetico secondario rispetto al primario dà indicazioni sull’estensione, la forma e le proprietà elettriche di corpi conduttori.

La risposta in termini di componente in fase del dispositivo è prevalentemente legata alla suscettività magnetica dei materiali, mentre la risposta in quadratura è legata alle caratteristiche conduttive. Nei suoli naturali si osserva un debole comportamento magnetico associato alla presenza di alcuni minerali delle argille; ben differente e maggiormente amplificata è la risposta che si ottiene in presenza di materiale ferroso sepolto.

Dalla componente in quadratura è possibile, verificate alcune condizioni, ricavare un valore di resistività apparente del mezzo indagato, in funzione della frequenza angolare, permeabilità magnetica del vuoto e spaziatura tra le bobine.

La profondità di indagine dei conduttivimetri dipende dalla conducibilità elettrica del terreno, dalla frequenza della corrente utilizzata per generare il campo magnetico primario e dalla geometria del dispositivo.