Sistemi a microonde dedicati ad applicazioni del ground penetrating radar e alla spettroscopia dielettrica

Introduzione sul GPR: L’interesse della presente tesi di dottorato si evidenzia su due argomenti, il primo riguarda lo studio e la caratterizzazione di uno specifico radar, il GPR (Ground Penetrating Radar) dispositivo di indagine non invasiva impiegato primariamente per lo studio dell’adiacente sottosuolo o anche di strutture visivamente non accessibili. Il termine radar deriva dalla denominazione inglese “radio detection and ranging” impiegata universalmente per indicare apparecchiature le quali effettuano, a mezzo di onde elettromagnetiche, rilevamenti della posizione o del movimento di oggetti. Il principio di funzionamento è basato sull'analisi delle riflessioni delle onde elettromagnetiche trasmesse nel terreno o nella struttura da esaminare. Il GPR usa lo stesso principio dei radar convenzionali, ma con alcune differenze significative. In un radar convenzionale l’onda elettromagnetica irradiata si propaga in aria per molti chilometri, nel GPR si propaga nel suolo o in altri materiali solidi raggiungendo distanze di pochi metri o anche decine di metri. La risoluzione dei radar convenzionali è dell’ordine delle decine o centinaia di metri, il GPR ha risoluzioni dell’ordine delle decine di centimetri e con alcuni tipi di antenne si possono avere risoluzioni dell’ordine dei centimetri. L’osservazione è realizzata con varie tecniche elettromagnetiche, fornisce con elevata efficienza ed esattezza e in modo quasi continuo indicazioni sulla composizione della struttura indagata. Nello specifico è possibile discriminare interfacce di elementi dotati di differente costante dielettrica. Con il termine Ground Penetrating Radar si intende, nella più generica delle accezioni, anche la tecnica con cui si conduce l’indagine. Il successo di questa tecnica di indagine scaturisce dalla compattezza e dalla manovrabilità del sistema, dall’economia dei costi e dai tempi di esecuzione e soprattutto dalla sua caratteristica non distruttiva e da una semplice interpretabilità dei risultati. L’utilizzo di questa tecnologia consente infatti di rilevare e localizzare nel mezzo investigato la presenza di oggetti, quali manufatti archeologici, danneggiamenti di generiche strutture viarie, strade ponti, gallerie, servizi interrati, condotte idriche, fognarie e del gas, cavità, svolgere attività di sminamento, misure di spessori, o evidenziare discontinuità correnti, in maniera molto facile ed economica. Cenni storici: Le prime applicazioni delle tecniche GPR risalgono agli anni 30, con applicazioni nella ricerca archeologica. In particolare il primo esperimento condotto con questa tecnologia, fu quello per la determinazione della profondità di un ghiacciaio (1951). Nell’immediato dopo guerra si è verificato un rapido ed intenso sviluppo di questa tecnica, soprattutto con l’impiego delle tecnologie di derivazione militare, quali i metal detector ed il radar. Per l’epoca le strumentazioni utilizzate erano complesse, ingombranti e richiedevano lunghi tempi per l’acquisizione dei dati. Negli ultimi anni, i notevoli progressi tecnologici dell’elettronica di base e dell’informatica hanno rivoluzionato la tecnologia dedicata a queste apparecchiature, fornendo prodotti di contenute dimensioni, portatili e di facile impiego. Le antenne sono di ridotte dimensioni, lavorano a frequenze che vanno in funzione dell’applicazione da 20 MHz ad alcuni GHz, consentono di ottenere risoluzioni maggiori per gli oggetti rilevati, i sistemi GPS abbinati allo strumento forniscono mappature automatiche e dettagliate per le scansioni su vaste aree. I software utilizzati per il post processing garantiscono immagini delle scansioni effettuate di notevole qualità. Attività sul GPR in Italia: In ambito del progetto COST Action TU1208 "Civil engineering applications of Ground Penetrating Radar”, è stato fatto un censimento sulle attività che coinvolgono l’uso GPR in Europa, in questo capitolo della tesi si mettono in evidenza le attività svolte in Italia, quali progetti di ricerca, siti di test, aziende produttrici, Università coinvolte etc. In particolare nel nostro paese già partire dagli anni 80 i progetti di ricerca e le varie iniziative, finanziate da enti istituzionali, Ministero dell’Università e della Ricerca, consorzi pubblici quali, Consorzio Nazionale Interuniversitario per le Telecomunicazioni (CNIT), aziende Selex‐ES e Telespazio S.p.A., hanno sviluppato molteplici tecnologie di radar “stepped frequency” e “ultra‐wide band” (UWB), usati sia in ambito civile, archeologico o militare. Una importante azienda Italiana, fondata negli anni 80 è la IDS S.p.A. che da oltre 30 anni è la principale fornitrice di innovative tecnologie e soluzioni ingegneristiche per le diverse applicazioni cioè: navale, aeronautico, georadar e militare. Dal 1999 l'IDS ha iniziato la commercializzazione a livello mondiale di sistemi GPR basati su sistemi array multi‐frequenza e multi‐canale e tutt’oggi è una delle aziende leader in questo settore, una società multi‐nazionale con una rete di agenzie e uffici in posizione strategica non solo in Italia, ma anche nei paesi europei e in tutto il mondo. Alcuni siti test dislocati sul territorio Italiano sono: In Frosinone, dedicato prevalentemente allo sviluppo e uso della tecnologia GPR in applicazioni archeologiche, il secondo è localizzato in Pescate provincia di Lecco, principalmente impiegato per studiare antiche strutture sepolte. Il sito di Ispra in provincia di Varese, è prevalentemente usato per scopi militari e dedicato soprattutto al rilevamento di mine antiuomo. Un altro sito di test molto importante per la ricerca di base, si trova in provincia di Lecce. Le facoltà scientifiche di molte Università Italiane, sono ampiamente coinvolte nello studio e nella promozione del GPR. Interessanti corsi universitari sono organizzati dall'Università di Roma Tre, Università di Genova, la Seconda Università di Napoli, Politecnico di Milano, Università Mediterranea di Reggio Calabria, Università di Pisa, Università di Siena, Università della Basilicata, Università degli Studi di Bari e dall’Università degli Studi di Messina. Il sistema analizzato: Il dispositivo analizzato in camera anecoica, è l’insieme del sistema radar GPR: GSSI (Geophysical Survey Systems, Inc.) SIR2000, abbinato all’antenna radar: Radar Team SUB‐ECHO HBD 300. Segnale irradiato dal sistema: Il GPR lavora con l'emissione di brevi impulsi elettromagnetici, ripetuti con continuità ed emessi da un'antenna in prossimità della superficie da indagare. L'impulso elettromagnetico si propaga in profondità del terreno, quando incontra una discontinuità dielettrica tra due mezzi, una parte dell'energia incidente viene riflessa ed una parte prosegue nel secondo mezzo. Le onde riflesse dalla discontinuità ritornano in superficie e vengono captate dall'antenna ricevente ed analizzate dal sistema, la parte di impulso trasmesso procede oltre la discontinuità stessa e può subire altre riflessioni su eventuali discontinuità più profonde. La caratteristica generale di un GPR è quella di un radar che trasmette segnali con una caratteristica banda UWB (Ultra Wide Band) in un range di frequenze che va da 10 MHz a circa 5 GHz. La durata del segnale trasmesso è dell'ordine dell'inverso della banda, che a sua volta è dell'ordine della frequenza centrale dell’antenna in uso. Se siamo a centro banda 20 MHz la durata è quindi dell'ordine di 50 ns, se siamo a 200 MHz la durata dell'impulso è dell'ordine di 5 ns e se siamo a 2 GHz la durata è dell'ordine di 0.5 ns. In questo caso il segnale trasmesso è un tipico segnale impulsato con una durata temporale dell’ordine di circa 2.70 ns, ed è emesso dal sistema con una determinata frequenza di ripetizione (Pulse Repetion Frequency) PRF. Individuare queste caratteristiche di emissione in fase di misura richiede molta accortezza, in quanto bisogna discriminare fra tutti gli altri segnali ambientali e i disturbi casuali. Il GPR è di dimensioni contenute e può essere fisicamente traslato gradualmente lungo un prefissato tracciato rettilineo in superficie e ottenere così una rappresentazione bidimensionale o “radargramma”, un grafico che rappresenta lo spostamento lungo una direzione in funzione dei tempi di ricezione del segnale riflesso. L’energia media irradiata è molto bassa, confinata nel sottosuolo, raggiunge svariati metri di profondità, in funzione della frequenza usata, il tipo di terreno etc. e in parte è assorbita istantaneamente. Tutte queste caratteristiche sono esclusive di un dispositivo GPR, in confronto ad altri dispositivi di esplorazione quali il metal detector o un generico sensore di movimento, che lavorano a piccole profondità e limitate gamme di frequenza. Inoltre l’antenna lavora a stretto contatto con il terreno ispezionato e le proprietà elettriche del terreno stesso hanno una forte influenza sulla impedenza di ingresso dell'antenna del dispositivo e delle sue caratteristiche di radiazione. Con le suddette considerazioni, il segnale di trasmissione deve avere una durata molto breve nel tempo e l'antenna deve essere in grado di trasmettere il segnale con la minima distorsione per evitare di degradare gli echi di ritorno e falsare l’acquisizione. Queste specifiche richiedono quindi una antenna a larga banda, direttiva e con una basso “ringing” d’antenna. Il tempo di acquisizione per ogni punto di osservazione viene settato dall'operatore. Nella maggior parte dei casi è sufficiente un fondo scala minore di 100 ns, ma le eccezioni sono diverse. In generale il tempo di acquisizione totale per un sistema GPR è inferiore a 100 ns. Nello specifico, il primo degli argomenti trattati è rivolto allo studio dell’esposizione elettromagnetica che interessa l’operatore durante l’utilizzo del dispositivo GPR, in particolare sono state considerate le due componenti che intervengono nel processo di esposizione, la radiazione che scaturisce dal back lobe dell’antenna in fase di trasmissione e la radiazione identificata sotto forma di segnale riflesso dal terreno illuminato sottoposto ad indagine. Lo studio è stato realizzato in due differenti scenari operativi, in un ambiente non anecoico e non schermato e quindi riproducente una tipica situazione di lavoro in campo libero, sia in un ambiente alquanto controllato, cioè anecoico e schermato. In particolare per quest’ultimo scenario è stata scelta la camera semianecoica “VECUVIA” presso l’ente ENEA, Centro Ricerche Casaccia in Roma. In seguito lo studio è stato completato, sempre nella suddetta camera semianecoica, con l’analisi delle caratteristiche operative del sistema radar GPR: GSSI (Geophysical Survey Systems, Inc.) SIR2000 e della sua antenna radar. Si è accertato sperimentalmente il valore del campo elettrico emesso ad una individuata distanza, la forma dell’impulso emesso, il pattern d’antenna sia sul piano verticale che orizzontale. E sono stati effettuati una serie di test per verificare come apparati di telefonia mobile o altre analoghe fonti possibili di interferenze possono contaminare i dati raccolti dal GPR. Modellizzazione di una griglia metallica per applicazioni GPR: Questa parte del lavoro è dedicata alla simulazione di scenari bidimensionali e alle tematiche di scattering elettromagnetico, tipiche condizioni in cui si trova ad operare il GPR. I risultati di questa attività sono stati conseguiti con l’uso un noto software freeware che utilizza i metodi di calcolo alle differenze finite (FDTD), GprMax. In particolare si focalizza l’attenzione su un oggetto, un modello di griglia metallica formata da cilindrici metallici lunghi e sottili, sepolti nel terreno o incorporati in una struttura, questa è la tipica attività di controllo della qualità del cemento armato o applicazioni simili. La migliore modellizzazione di una griglia metallica si ottiene considerando un elevato numero di fili metallici, ma è anche importante valutare il raggio del filo metallico e la spaziatura stessa della griglia. A tal proposito si fa riferimento alla cosiddetta regola (Equal Area Rule) EAR, regola dedotta dall'osservazione empirica e descrive come la superficie totale dei fili deve essere uguale alla superficie dell’oggetto da modellare. Alcuni autori hanno studiato l’affidabilità della regola EAR comparando la radiazione di campo magnetico trasverso, generata da un cilindro nel vuoto con una corrente sulla sua superficie o illuminato da un'onda piana monocromatica trasversa magnetica e confrontato con un modello a griglia metallica. Deducendo così che il modello a griglia è compatibile con la regola EAR. Inoltre i fili troppo spessi si comportano male come quelli troppo sottili. Tutti i mezzi coinvolti sono assunti lineari ed isotropi, dispersivi, gli oggetti metallici si presume siano perfettamente conduttivi. In questa simulazione non sono state incluse le strutture fisiche sia del ricevitore che del trasmettitore, la sorgente è rappresentata da una linea di corrente ed è stato calcolato il campo elettrico incidente sul ricevitore. La propagazione degli errori numerici è contenuta, decretando il passo di discretizzazione spaziale di un fattore 10 volte più piccolo della lunghezza d’onda minima del campo elettromagnetico. La frequenza massima da considerare nella simulazione, è tre volte la frequenza centrale dell’impulso. Per evitare l’effetto di frammentazione a scala del bordo degli oggetti continui, le forme circolari sono approssimate con un numero di almeno 20 celle per il loro raggio. E’ necessario limitare lo spazio computazionale, inserendo delle forme Perfectly Matched Layer (PML) per i bordi in modalità di Absorbing Boundary Conditions (ABS), usando 10 strati e ponendo sorgenti e target almeno 15 cellule distanziate dallo strato più interno. Parte II: Il secondo argomento della tesi è dedicato all’analisi sperimentale della permettività dielettrica complessa di un generico materiale coeso. Lo studio è stato condotto per mezzo di una tecnica riflettometrica in guida d’onda a sezione rettangolare e un (Vector Network Analyzer) VNA. La frequenza di lavoro scelta è quella (Industrial, Scientific and Medical) ISM Band, cioè 2.45 GHz. L’indagine sperimentale è stata svolta presso il Laboratorio di Microonde del Dipartimento di Ingegneria Elettronica dell'Università degli Studi di Roma La Sapienza. Le tecniche di spettroscopia dielettrica operanti nella banda delle microonde sono sempre più di largo impiego per la misura della permettività complessa di un campione di materiale. La conoscenza di questo importante parametro infatti può fornire informazioni sulla sua qualità e definire l'interazione del materiale e l'effetto di riscaldamento corrispondente. Una applicazione del riscaldamento a microonde, soprattutto alla ISM Band è dedicato alla manutenzione del manto stradale, infatti, riscaldando l'asfalto attraverso l'uso di microonde, è possibile effettuare riparazioni in loco di fori o fessure presenti sulla superficie stradale. Inoltre l’uso delle microonde potrebbe anche essere impiegato durante la fase di produzione, in sostituzione ai forni convenzionali usati per l'essiccazione e il riscaldamento dei leganti minerali dell’asfalto e nel riciclo della pavimentazione con l’asfalto rigenerato e bitume. Lo studio della permettività complessa del conglomerato bituminoso, posso far capire come realizzare un sistema dedicato al riscaldamento e all’analisi del sistema. Il sistema è stato sviluppato con l’uso di una guida d’onda, in particolare la WR430 con una banda di frequenze che va da 1,7 GHz a 2.6 GHz e quindi compatibile con la ISM Band. Nella guida sono stati inseriti e misurati i materiali tipici che compongono l’asfalto. Il campione viene collocato all'interno della guida d'onda e un'onda elettromagnetica viene lanciata alla porta della guida d'onda. Misurando i parametri di scattering alle porte della guida d’onda, è possibile derminare la permittività complessa del campione in misura, attraverso un algoritmo di misurazione appropriato. Per questo tipo di misura è stato impiegando il modello sviluppato dalla (National Institute of Standards and Technology) NIST, è risultato essere il più preciso per materiali non magnetici come quelli trattati in questa misura. Il sistema WR430 è stato caratterizzato facendo il confronto con misurazioni di riferimento di solidi a bassa permittività dal comportamento abbastanza piatto su tutta la banda di frequenza delle microonde. Misurazioni effettuate con sistema di guida d’onda WR90, che utilizza componenti commerciali dalla permittività nota. Il sistema è stato caratterizzato usando i seguenti materiali: PVC a bassa densità, teflon, plexiglas e policarbonato. La scelta è ricaduta su questi materiali per la facilità di preparazione del campione da inserire nella guida d’onda e la bassa permettività che rappresenta al meglio i composti granulari. Si è giunti che il confronto con i risultati ottenuti con il sistema WR430 e il sistema commerciale WR90 sono in buon accordo, le differenze percentuali tra le permittività misurate attraverso i due sistemi sono inferiori a 1%. Il passo successivo è stato quello di misurare la permettività di materiali granulari utilizzati tipicamente per asfalto autostradale, con diverse miscelazioni e inumiditi a diverso contenuto d’acqua. Le misurazioni sono state effettuate su due materiali che sono tipicamente utilizzati nel settore dell'asfalto, roccia calcarea e aggregati basaltici. Entrambi questi materiali sono stati selezionati in modo da ottenere pietre con un diametro compreso tra 2 e 4 mm. I risultati di misura ottenuti, confermano la flessibilità e l’uso pratico del sistema in possibili applicazioni nell'industria per la manutenzione stradale. I costi per produrre i componenti della guida d'onda si aggirano intorno ai € 1000, la rendono una soluzione molto competitiva e conveniente. La tecnica della spettroscopia dielettrica può essere applicata ai materiali granulari in genere, in particolare al settore agroalimentare con la misura di granaglie, farine alimentari etc.