Georadar

Il Ground Probing Radar (G.P.R.), o semplicemente georadar, è uno strumento d’indagine non invasiva in grado di fornire sezioni verticali del mezzo indagato denominate radargrammi.

Il suo principio di funzionamento si basa sulla trasmissione di impulsi radar ad alta frequenza nel terreno e sulla misura del tempo trascorso tra la trasmissione e la ricezione del segnale in superficie. Le onde elettromagnetiche sono irradiate nel terreno da un’antenna trasmittente posta in superficie e la loro propagazione nel sottosuolo è descritta dalle equazioni di Maxwell:

  \[ \nabla\overrightarrow{E}=\frac{\overrightarrow{\rho}_{v}}{\varepsilon} \]

  \[ \nabla\times\overrightarrow{E}=j\omega\mu\overrightarrow{H} \]

Quando l’onda elettromagnetica raggiunge una superficie di discontinuità (contrasto di impedenza elettrica), parte di essa si riflette e parte si trasmette secondo le leggi dell’ottica geometrica. Le discontinuità che determinano le riflessioni sono generalmente dovute a variazioni delle proprietà elettriche e magnetiche del mezzo irradiato rappresentate dalla permittività elettrica (e), dalla permeabilità magnetica (m) e dalla conduttività elettrica (s). Altri parametri che influenzano la propagazione delle onde elettromagnetiche in un mezzo dispersivo qual è il terreno sono: cambiamenti litologici o variazioni di densità di volume all’interfaccia stratigrafica, grado di umidità e presenza di cavità naturali o antropiche nel sottosuolo.

La profondità a cui l’energia radar può penetrare e la risoluzione del georadar, cioè la capacità di distinguere due riflettori vicini tra di loro, sono parzialmente controllati dalla frequenza (u) dell’onda radar trasmessa, oltre che dalle caratteristiche fisiche del sottosuolo. È noto, infatti, che segnali ad alta frequenza sono attenuati prima di quelli a bassa frequenza poiché il coefficiente di attenuazione (C) è una funzione lineare di u, cioè:

 

  \[ C=\alpha\upsilon \]

 

Ricordando che la frequenza è inversamente proporzionale alla lunghezza d’onda (l), è doveroso sapere che un minor l consente di ottenere una maggiore risoluzione:

 

  \[ A=\lambda/4+Z/\sqrt{(\varepsilon+1)} \]

 

essendo A l’area “illuminata” della superficie orizzontale sepolta (footprint) e Z la profondità a cui si trova il riflettore.

Le configurazioni per le indagini GPR

È possibile eseguire indagini GPR adottando due diverse configurazioni: monostatica (tx=rx), cioè una sola antenna è in grado di trasmettere e ricevere il segnale; bistatica (tx+rx), ovvero prevede l’utilizzo di due antenne, con funzioni distinte, ad offset variabile. La selezione dell’offset consente, con buona approssimazione, la stima della velocità di propagazione dell’e.o.m. nel mezzo irradiato (Vm) mediante la seguente relazione:

 

  \[ V_{m}=Ce_{r}-\frac{1}{2} \]

 

essendo C ed er, rispettivamente, la velocità della luce e la costante dielettrica relativa del mezzo. Pertanto, noti il tempo di tragitto e Vm, siamo in grado di calcolare la profondità del riflettore.

Il set di antenne usualmente utilizzato ha frequenze di centro-banda comprese tra alcune decine di Mhz e qualche Ghz. La loro scelta è funzione delle caratteristiche del mezzo da indagare e della natura e dimensioni delle strutture ricercate. Generalmente, si adoperano le antenne a bassa frequenza per raggiungere profondità maggiori (qualche decina di metri con antenne da 40÷100 MHz) a discapito della risoluzione, e quelle ad alta frequenza (sino a 2500 MHz) per migliorare la risoluzione su piccole profondità di investigazione. L’ampio range delle frequenze disponibili e l’elevata direzionalità dell’o.e.m generata dall’antenna garantiscono, comunque, una buona risoluzione sia verticale che orizzontale.

I vantaggi di questa metodologia

Il georadar consente il riconoscimento di corpi sepolti purché questi presentino caratteristiche elettriche e magnetiche diverse dal materiale circostante; individua la presenza di vuoti, corpi metallici, sottoservizi (anche in plastica), strutture archeologiche e altre anomalie consentendone la stima della profondità a cui si trovano.

Le configurazioni strumentali attualmente disponibili sono in grado di coprire una vasta gamma di esigenze di prospezione. La tipologia più diffusa è quella che prevede di effettuare il cosiddetto profilaggio parallelo, ovvero l’acquisizione di una serie di profili paralleli dai quali, mediante un’opportuna correlazione, è possibile ottenere un’accurata ricostruzione tridimensionale di lineamenti sepolti e della stratigrafia del terreno. Altre modalità di acquisizione sono griglie regolari o percorsi random sulle superfici da indagare, supportati da un dispositivo GPS per il successivo posizionamento delle linee di indagine.

L’elaborazione dei dati acquisiti mediante software dedicati restituisce la sezione elettrostratigrafica del sottosuolo.

Il georadar consente il riconoscimento di corpi sepolti purché questi presentino caratteristiche elettriche e magnetiche diverse dal materiale circostante; individua la presenza di vuoti, corpi metallici, sottoservizi (anche in plastica), strutture archeologiche e altre anomalie consentendone la stima della profondità a cui si trovano.

Le configurazioni strumentali attualmente disponibili sono in grado di coprire una vasta gamma di esigenze di prospezione. La tipologia più diffusa è quella che prevede di effettuare il cosiddetto profilaggio parallelo, ovvero l’acquisizione di una serie di profili paralleli dai quali, mediante un’opportuna correlazione, è possibile ottenere un’accurata ricostruzione tridimensionale di lineamenti sepolti e della stratigrafia del terreno. Altre modalità di acquisizione sono griglie regolari o percorsi random sulle superfici da indagare, supportati da un dispositivo GPS per il successivo posizionamento delle linee di indagine.

L’elaborazione dei dati acquisiti mediante software dedicati restituisce la sezione elettrostratigrafica del sottosuolo.