Ottimizzazione dei sistemi schermanti per Georadar da fenomeni di interferenza elettromagnetica. Tra analisi qualitative e acquisizione dei dati

Le crescenti esigenze di indagini non distruttive nel mondo dell’ingegneria civile, della geoarcheologia e, più in generale, della geofisica di superficie hanno determinato il rapido successo del Ground Penetring Radar, spesso indicato con l’acronimo GPR o, più semplicemente, Georadar. L’idea di fondo da cui si sviluppa questa tecnologia è proprio quella del RADAR (acronimo dell’inglese “RAdio Detection And Ranging”) inteso come sistema che utilizza onde elettromagnetiche per il rilevamento e la determinazione della posizione, ed eventualmente della velocità, di oggetti sia fissi che mobili. Prendere questa idea e sfruttarla per individuare oggetti nel sottosuolo o per indagini strutturali nell’ingegneria civile sembrerebbe un passaggio immediato eppure ci sono voluti diversi decenni prima di sfruttarne tutte le potenzialità. L’idea di usare onde radio per l’individuazione di oggetti metallici non è affatto nuova e i primi studi vengono associati a Christian Hülsmeyer, il quale nel 1904 dimostrò che era possibile rilevare la presenza di una nave nella nebbia, ma non la sua distanza. Qualche anno più tardi, nel 1917 Nikola Tesla stabilì i principi del funzionamento delle frequenze e del livello di potenza dei primi radar. E, poi, ancora nel 1922 Guglielmo Marconi avanzò l'idea di un radiotelemetro per localizzare a distanza mezzi mobili e nel 1933, in un incontro riservato, ne propose la realizzazione a un gruppo di militari italiani, tra i quali il col. Luigi Sacco, il quale, convinto della validità e dell'importanza dell'idea, la affidò all'ing. Ugo Tiberio, giovane e brillante ufficiale, che negli anni seguenti portò avanti le ricerche e realizzò diversi prototipi, ma non ottenne le risorse e i fondi necessari per arrivare a un sistema radar operativo. La successiva guerra portò ad un'accelerazione della ricerca al fine di trovare la migliore risoluzione e portabilità per le nuove esigenze difensive. Nel dopoguerra l'uso del radar si è ampiamente diffuso anche in ambito civile per il controllo del traffico aereo, il controllo meteorologico e il controllo delle velocità automobilistiche. Dagli anni ‘40 del secolo scorso l’uomo ha sviluppato la tecnologia per sistemi radar atti alle indagini geofisiche della prima sotto superficie, ma è solo dagli anni ‘70 che si è cominciato ad usarle per applicazioni geotecniche. Già negli anni '60, a dire il vero, ci furono vari tentativi di usare tecniche radio per indagare la profondità di falde acquifere o per rilievi in ambiente glaciale. Tuttavia gli anni '70 rivestono un ruolo straordinariamente importante nello sviluppo delle applicazioni georadar legate alla contestuale corsa spaziale che portava investimenti anche nei settori interessati nello sviluppo di nuove tecniche di indagine elettrica delle superfici. I risultati sono stati i dispositivi usati in missioni lunari e montati su rover con antenne dipolari multifrequenza per le prime indagini del sottosuolo lunare. Ed è proprio in quegli anni che è nata la prima società produttrice di georadar, la Geophysical Survey Systems Inc. Dagli anni ‘80 e per i successivi vent’anni si è assistito ad un costante incremento della produzione, vendita e diffusione di sistemi GPR e dalla metà degli anni ‘90 il binomio georadar – scienze della Terra è divenuto una costante, favorito soprattutto dallo sviluppo tecnologico e dal supporto di sistemi informatici capaci di agevolare nella fasi di elaborazione dei dati. In meno di un secolo abbiamo, quindi, assistito allo sviluppo di una tecnologia che, come già accaduto in altri contesti, dal mondo militare ha trovato larghissima diffusione in ambito civile dimostrando una notevole capacità di adattamento ai contesti scientifici e sociali cui è stato applicato, dall’ingegneria civile all’archeologia alla geomorfologia. I perchè dell’utilizzo di metodologie geofisiche non distruttive, come il georadar, per la ricostruzione del sottosuolo e per la ricerca di reperti archeologici sono riassumibili in 3 punti: - acquisizione dei dati con costi ridotti, - possibilità di elaborazione raffinata dei dati, - possibilità di indagini in tutti i contesti ambientali, compresi quelli più impervi. Tuttavia, l'aumento esponenziale di impianti per le telecomunicazioni (dalle radio alle TV passando per la telefonia mobile e la trasmissione dati) ha determinato un aumento dei fenomeni elettromagnetici trasmessi a varie frequenze attraverso l'ambiente. Questa condizione è propedeutica ai fenomeni di interferenza elettromagnetica, o rumore, capaci di alterare la qualità dell’informazione acquisita da un georadar portando ad una perdita di dati o ad una loro difficile interpretazione. Per minimizzare l’effetto delle sorgenti rumorose che possono insistere in prossimità del luogo di indagine, le ditte produttrici di GPR hanno sviluppato sistemi fisici parzialmente schermanti capaci di eliminare alcune fonti di disturbo già in fase di acquisizione e software capaci di effettuare filtraggi digitali in fase di processing. Partendo da un'analisi delle sorgenti elettromagnetiche maggiormente diffuse, e capaci di interferire con la qualità di un'acquisizione georadar, dalle schermature attualmente usate e dai software associati, questo lavoro di tesi concentrerà la propria attenzione sull’ottimizzazione dei sistemi schermanti attraverso l’utilizzo di materiali reperibili sul mercato al fine di evidenziare eventuali differenze in termini di risultati acquisiti con l'obiettivo di migliorare il rapporto segnale/rumore pre-processing. A tal proposito, dopo un primo capitolo incentrato sugli aspetti squisitamente fisici dei campi elettromagnetici e sui meccanismi di funzionamento dei georadar, analizzeremo alcuni materiali schermanti attualmente in commercio sia per sorgenti a bassissima frequenza (ELF) che a radiofrequenza. Dal quarto capitolo faremo un raffronto tra filtraggio fisico e filtraggio digitale da applicare ai GPR attualmente in commercio in modo da capire i vantaggi di una schermatura. Dall’acquisizione finale dei dati si cercherà di confrontare il risultato con e senza schermatura aggiuntiva cercando di evidenziarne il miglioramento del rapporto segnale-rumore