Geologia - Il Metodo Elettromagnetico GeoRadar

Tratto da: www.diasis.it
Il Georadar, noto con la sigla GPR (Ground Penetrating Radar) o SPR (Surface Penetrating Radar), è un particolare radar che sfrutta i fenomeni fisici, quali la riflessione, la rifrazione e la diffrazione che subisce un’onda elettromagnetica quando incontra delle discontinuità all’interno del mezzo indagato. Questi fenomeni fisici sono determinati da variazioni delle proprietà elettriche e magnetiche dei materiali attraversati (cavità, variazioni litologiche, corpi sepolti, ecc.) ed in particolare alla variazione della permettività (o costante dielettrica relativa).
In generale un sistema georadar è costituito da:
· un’unità di controllo (alimentata da una batteria) alla quale, tramite cavi di particolari caratteristiche, sono collegate le antenne;
· un sistema di antenne, che hanno la funzione di inviare impulsi elettromagnetici e captare i segnali riflessi e/o rifratti;
· un’unità di acquisizione, registrazione e visualizzazione dei dati sperimentali.

Il georadar può essere adoperato con varie tecniche applicative:
- il sistema è detto monostatico se all’unità di controllo è collegata una sola antenna che funziona, alternativamente, sia da antenna trasmittente che da antenna ricevente ovvero quando vengono collegate due antenne (una trasmittente ed una ricevente) che mantengono una distanza fissa tra loro. Questa configurazione, detta anche RSAD (Radar Surface Arrival Detection) è concettualmente molto simile alla tecnica SONAR utilizzata per i rilievi batimetrici.
- il sistema è detto bistatico se all’unità di controllo sono collegate due antenne, una trasmittente e l’altra ricevente, che vengono utilizzate a differenti distanze tra loro.
Utilizzando il sistema monostatico, l’antenna trasmittente invia un treno di impulsi elettromagnetici ad alta frequenza (10÷2500 MHz) e di breve durata (dell'ordine di 10 all -9 secondi), ad intervalli regolari; la frequenza di ripetizione di questi impulsi è di circa 50-100 kHz. Questa è alimentata da un generatore di impulsi elettrici che, nella stessa antenna, vengono trasformati in impulsi elettromagnetici. Tali impulsi si propagano all’interno del mezzo finché non sono riflessi da un’eventuale discontinuità e, se caratterizzati da
sufficiente energia, ritornano verso la superficie del terreno, dove vengono captati dall’antenna ricevente.

Gli impulsi captati dall'antenna ricevente, dopo essere stati trasformati nuovamente in impulsi elettrici, vengono trasferiti all'unità centrale di controllo: qui i segnali vengono prima trattati tramite l'ausilio di amplificatori e filtri (compresi nell'unità centrale), poi visualizzati su un display e registrati nella memoria del computer in funzione del tempo, in modo da potere essere visualizzati come una funzione del loro Two-Way Travel Time (TWTT), cioè il tempo intercorso dall’istante di trasmissione all’istante di ricezione, nella forma di un radargramma.
Esistono due modalità di visualizzazione del segnale:
- modalità “line scan” a colori, in cui ad ogni ampiezza del segnale viene attribuito un colore in funzione della sua entità e polarità;
- modalità “wiggle”, in cui il segnale è rappresentato con delle tracce, nelle quali spesso sono annerite le aree sottese dalle ampiezze positive e/o quelle negative.
Gli impulsi elettromagnetici si propagano in un materiale con una velocità ricavabile dall’espressione:

dove m ed e sono rispettivamente la permeabilità magnetica e la costante dielettrica del mezzo attraversato, c è la velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche nel vuoto ed er è la costante dielettrica relativa (o permettività). Gli impulsi si attenuano tanto più rapidamente quanto maggiore è la frequenza dell’onda, la conducibilità elettrica e la permittività del mezzo. Sulle superfici di discontinuità del sottosuolo in cui la permittività varia da un valore 1 ad un valore 2, l’impulso elettromagnetico subisce una riflessione, con
un coefficiente di riflessione r che risulta definito dalla relazione:

Quindi, se è nota la velocità di propagazione delle onde elettromagnetiche, utilizzando i tempi di percorso delle onde è possibile calcolare la profondità dei riflettori. La massima profondità esplorabile dipende dalla frequenza delle onde elettromagnetiche e dal coefficiente di attenuazione della struttura attraversata.
Quando il profilo di acquisizione passa sopra un oggetto fortemente riflettente sepolto (immerso) nella struttura indagata, all’antenna ricevente arriva un segnale di ritorno (riflessosi sulla superficie esterna dell’oggetto) anche quando il dipolo d’antenna non è esattamente “sulla verticale” dell’oggetto sepolto. Come risultato, si ottiene sulla sezione radar una tipica “iperbole di diffrazione”. Queste iperboli caratterizzano quindi gli oggetti riflettenti di “piccole” dimensioni.
I dati sperimentali ottenuti vengono opportunamente elaborati con filtri ed amplificatori.
In particolare, i filtri hanno la funzione di migliorare la qualità dei segnali ricevuti, attenuando le componenti del segnale caratterizzate da frequenze indesiderate (noise o rumore elettromagnetico), mentre gli amplificatori sono utilizzati per amplificare gli impulsi più deboli provenienti da riflessioni relative a superfici di discontinuità più profonde, o da parte di materiali particolarmente assorbenti.
Per ottenere buone informazioni, e quindi buoni risultati, è essenziale valutare attentamente le caratteristiche del mezzo indagato (proprietà fisiche dei materiali, quantità di acqua in essi contenuta che caratterizza il comportamento conduttivo o dielettrico) e la scelta delle antenne da utilizzare, in base alla loro frequenza principale.
La metodologia georadar ha il vantaggio di essere molto speditiva ed assolutamente non distruttiva e non invasiva, in quanto consente di ottenere informazioni sul mezzo indagato senza alcuna alterazione dello stesso.