Georadar

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Martedì, 13 Dicembre 2011 15:24

Special issue IEEE sul GPR

gprE’ stato appena pubblicato (dicembre 2011) sulla rivista IEEE Journal of Selected Topic in Remote Sensing un numero speciale sulle tematiche relative al Ground Penetrating Radar, la tecnologia che consente di ottenere informazioni su oggetti sepolti e/o nascosti a partire da misure effettuate in situ o da remoto e i cui sviluppi offrono un numero crescente di nuove e stimolanti applicazioni.

Questo special issue riporta alcuni dei risultati presentati alla XIII Conferenza Internazionale sul Ground Penetrating Radar tenutasi a Lecce dal 21 al 25 giugno 2010. I Guest Editor (Lorenzo Crocco e Francesco Soldovieri del CNR – IREA, Massimiliano Pieraccini dell’Università di Firenze e Motoyuki Sato della Tohoku University) hanno scelto tra tutti i contributi quelli che a loro avviso forniscono una panoramica delle tendenze più importanti e promettenti di sviluppo di questa tecnologia.
 
 
Leggi l'introduzione dei guest editors allo special issue

Copertina della rivista

Pubblicato in Notizie in evidenza
Martedì, 31 Maggio 2011 16:01

Tomografia a microonde

Con il termine tomografia a microonde si intende l’insieme delle metodologie che, sfruttando l’interazione tra campi elettromagnetici e mezzi materiali, mirano a ricostruire i parametri elettromagnetici di domini spaziali non direttamente accessibili allo scopo di rilevare, in modo non distruttivo e minimamente invasivo, la presenza di eventuali anomalie e determinarne le caratteristiche morfologiche (posizione, forma e dimensione) ed elettromagnetiche (profili di permittività dielettrica, conducibilità elettrica e permeabilità magnetica).

Diversamente dalle strategie di elaborazioni dati radar tradizionali, gli approcci tomografici si basano sull’uso di modelli fisico/matematici adeguati a descrivere l’interazione onda/bersaglio in scenari complessi. D’altro canto, essi richiedono di affrontare le notevoli difficoltà insite nella soluzione di un problema inverso di diffusione elettromagnetica, in cui il legame tra i dati e le incognite è non lineare e mal-posto.

Nel corso degli anni, i ricercatori dell’IREA hanno messo a punto diversi approcci efficienti e stabili rispetto alle incertezze ed al rumore con lo scopo di una "diagnostica" ad alta risoluzione quasi real-time e possibilmente quantitativa. Tali approcci sono capaci di operare sia in condizioni critiche come quelle tipiche nell'ambito "physical security" che in scenari elettromagneticamente complessi quali quelli relativi alle applicazioni di diagnostica medica.

Un primo insieme di approcci sviluppati presso l’IREA si basa sulla linearizzazione del problema ottenibile mediante modelli semplificati della diffusione elettromagnetica ed è in grado di fornire risultati soddisfacenti anche per configurazioni di misura estremamente semplificate. Tali approcci, grazie all’uso degli strumenti di analisi di problemi inversi lineari, sono stati ampiamente caratterizzati per quanto riguarda la configurazione di misura da adoprare e le capacità di ricostruzione ottenibili.

In alternativa a questi metodi è anche stato investigato l’uso di metodi qualitativi basati sulla soluzione di un problema inverso lineare ausiliario (in grado però di fornire informazioni solamente di tipo morfologico) che non fanno quindi uso di modelli approssimati. Tali metodi presentano una notevole flessibilità e consentono la caratterizzazione dello scenario in tempo reale, ma allo stato necessitano di strategie di misura idonee.

Una ulteriore classe di metodologie è quella dei così detti approcci di tipo quantitativo. Tali strategie consentono di ottenere informazioni esaustive sulle proprietà elettromagnetiche dei bersagli a spese di una aumento della complessità del problema inverso da risolvere e di un conseguente innalzamento del carico computazionale. Dovendo affrontare la soluzione di un problema non lineare e mal posto, tali strategie si basano su un approfondito studio dei fattori che influenzano il grado di difficoltà del problema. A riguardo, i ricercatori dell'IREA hanno messo a punto formulazioni alternative del problema di diffusione elettromagnetica in grado di “ridurre” la non-linearità della relazione dati-incognite al fine di evitare che le procedure di imaging diano luogo a risultati non coerenti con lo scenario investigato (problema della false soluzioni).

Inoltre i ricercatori dell’IREA sono impegnati nello sviluppo di tecniche di regolarizzazione che consentono sia di ridurre l’incidenza delle false soluzioni sia di migliorare la convergenza delle procedure iterative, che sono alla base delle tecniche di elaborazione. I ricercatori dell’IREA sono anche impegnati nella messa a punto di approcci di tipo ibrido basati sull’integrazione di approcci qualitativi e quantitativi.

Pubblicato in Elenco metodologie
Domenica, 01 Maggio 2011 15:18

Tomografia radar

Imaging

La capacità delle onde elettromagnetiche di penetrare corpi materiali ed interagire con essi, in un modo che dipende dalla morfologia e dalle proprietà costitutive dell'oggetto in esame, costituisce il principio fisico delle tecniche diagnostiche senza contatto e non invasive finalizzate all’individuazione e caratterizzazione, in una parola all’imaging, di oggetti incogniti, anche se posti in un mezzo opaco o nascosti da un ostacolo.

A tal fine, è necessario sviluppare metodologie avanzate per l’elaborazione di dati radar, eventualmente raccolti adottando configurazioni di misura non canoniche. Tali metodologie, diversamente da quelle comunemente in uso, si avvalgono di modelli fisico/matematici più adeguati a descrivere l’interazione onda/bersaglio in scenari complessi e affrontano opportunamente la soluzione del problema inverso, non-lineare e mal posto, coinvolto. Basandosi su tali requisiti, le metodologie sviluppate presso l'IREA, mirano a fornire immagini dell’oggetto in esame da cui è possibile determinarne, senza ambiguità, le proprietà morfologiche ed elettromagnetiche (permettività dielettrica e conducibilità).

I ricercatori dell’IREA hanno una lunga ed assestata esperienza in questo campo, che ha consentito la messo a punto di diversi approcci, che sono stati testati in diversi contesti applicativi.

Da un punto di vista concettuale, le metodologie sviluppate possono essere classificate in due gruppi:

1) strategie per la localizzazione di oggetti incogniti e loro caratterizzazione geometrica (dimensione, forma)

2) approcci capaci di fornire una caratterizzazione (quantitativa) accurata delle proprietà elettromagnetiche degli oggetti in esame

Tali metodologie di elaborazione dati rappresentano un utile strumento per affrontare un vasto numero di applicazioni in cui è di interesse l’imaging radar in situ, tra cui il monitoraggio di strutture civili ed infrastrutture critiche, la diagnostica dei beni culturali, la mappatura dei sottoservizi in ambienti urbani, le applicazioni legate alla sicurezza fisica, come ad esempio il rilevamento di mine anti-uomo ed ordigni inesplosi, l’imaging attraverso i muri, l’individuazione di tunnel, il rilevamento di oggetti nascosti su persone, il rilevamento a distanza di segni vitali (ad esempio respirazione e battito cardiaco).

Un ambito tecnologico in cui l’uso di tali metodologie di inversione è estremamente rilevante o quello del georadar (GPR), che è un sistema radar specificamente progettato per l’imaging di strutture sepolte o nascoste. In tale ambito, le metodologie sviluppate all’IREA, ed in particolare quelle finalizzate alla localizzazione e caratterizzazione morfologica di oggetti incogniti, sono state applicate con successo in molte campagne di investigazione mediante GPR eseguite nell’ambito di vari progetti di collaborazione nazionali ed internazionali che hanno riguardato prospezioni di siti archeologici (casa del Centauro in Pompei, Stabia antica e Pontecagnano in Campania, Viggiano in Lucania e molti altri), il monotoraggio di strutture civili ed infrastrutture (ad esempio il ponte Musmeci in Potenza e diverse corsi autostradali svizzere) e la diagnostica dei beni culturali (indagine georadar nel Salone dei 500 a Firenze alla ricerca degli stati nascosti del dipinto del Vasari). 

Venerdì, 08 Luglio 2011 11:54

Diagnostica sub-superficiale

DEMInvestigare e caratterizzare in modo non invasivo regioni fisicamente non accessibili è l’obiettivo perseguito in diversi e sempre più numerosi contesti applicativi. Alcuni esempi sono:

- l’identificazione di sottoservizi;

- il monitoraggio dello stato del manto stradale;

- le esplorazioni planetarie per l’analisi del sottosuolo alla ricerca dell’acqua;

- le indagini archeologiche, in cui è richiesta la localizzazione e la mappatura di siti di interesse storico sia per indirizzare le operazioni di scavo sia per individuare strutture sepolte in aree dove non è possibile effettuare saggi;

- nelle le ricerche criminologiche orientate all’individuazione di cadaveri o armi sepolte;

- nella mitigazione del rischio antropico.DiagnSubSup250

In tutti questi ambiti, l'attività di ricerca svolta presso l'IREA mira a sfruttare la capacità della radiazione elettromagnetica alle microonde di attraversare mezzi visivamente opachi al fine di ottenere informazioni su oggetti sepolti e/o nascosti a partire da misure di campo effettuate in situ o da remoto. Ciò è reso possibile grazie all’uso di strumenti per l’imaging attivo a microonde, come il geordar. Questo rappresenta una delle più versatili metodologie di diagnostica elettromagnetica non invasiva ad elevata precisione, il cui principio di funzionamento si basa sulla capacità dello strumento di irradiare segnali a microonde e di misurare quelli retro diffusi dalle variazioni delle proprietà elettromagnetiche del mezzo investigato. L’informazione sulla scena in esame è, quindi, ottenuta mediante strategie di elaborazioni dati, tra cui le tecniche di tomografia a microonde. Queste, basandosi su modelli matematici capaci di descrivere l’interazione tra la radiazione elettromagnetica ed i mezzi materiali, consentono di passare dal segnale misurato ad immagini spaziali della regione investigata facilmente interpretabili anche da operatori non esperti e capaci di fornire informazioni qualitative (localizzazione, forma e dimensione) e potenzialmente quantitative (profili delle proprietà elettromagnetiche) sull’area in esame.

 

 

Pubblicato in Elenco applicazioni
Venerdì, 15 Luglio 2011 15:57

Monitoraggio di tubazioni

MonitPipe_250La distribuzione dei servizi, come quelli idrici ed energetici, si basa su complessi sistemi di tubazioni che consentono il trasferimento dei fluidi tra diversi impianti ed il loro trasporto alle utenze finali. Il monitoraggio ed il mantenimento dell’integrità delle tubazioni è, quindi, essenziale al fine di garantire da un lato la continuità del trasporto e dall’altro la prevenzione e la tempestiva riparazione di cedimenti strutturali che, provocando la fuoriuscita di fluidi, possono causare ingenti danni sia economici che ambientali.

I numerosi incidenti che si verificano quotidianamente in tutto il mondo dimostrano la scarsa efficienza dei sistemi di monitoraggio oggi esistenti e ne motivano la ricerca e la realizzazione di nuovi.
 
A tal riguardo, i ricercatori dell’IREA hanno dimostrato che l’uso di sensori in fibra ottica consente un monitoraggio su larga scala sia dell’integrità strutturale delle tubazioni sia delle deformazioni del suolo circostante.

MonitPipe2_250 Sfruttando il fenomeno fisico dello scattering di Brillouin indotto è, infatti, possibile rilevare se la tubazione è sottoposta a tensioni che ne possono causare il danneggiamento e misurare entità e direzione delle deformazioni subite. I sensori distribuiti in fibra ottica costituiscono, pertanto, un tassello importante nella realizzazione di sistemi di monitoraggio intelligenti capaci di rilevare real time eventi critici che possono causare il collasso strutturale.

In aggiunta ai sensori i fibra ottica, utili per un monitoraggio tempo continuo su una larga scala, sono da considerare i sistemi diagnostici puntuali, come il georadar. Sfruttando sofisticate strategie di elaborazione del segnale a microonde, come quelle messe a punto dai ricercatori dell’IREA, è, infatti, possibile ottenere immagini ad alta risoluzione della regione spaziale in cui la tubazione è posizionata, attraverso cui determinare la presenza di perdite e stimarne l’entità.

Pubblicato in Elenco applicazioni

Una delle attività di ricerca irea

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