Domande frequenti sul GPR: quanta profondità può vedere il GPR?

Quanto in profondità può vedere il GPR

"Quanto in profondità puoi vedere?" è la domanda più comune posta ai fornitori di radar a penetrazione del terreno (GPR). Sebbene la fisica sia ben nota, la maggior parte delle persone nuove al GPR non si rendono conto che esistono limitazioni fisiche fondamentali.

Molte persone pensano che la penetrazione del GPR sia limitata dalla strumentazione. Questo è vero in una certa misura, ma la profondità dell’esplorazione è governata principalmente dal materiale stesso e nessun miglioramento della strumentazione potrà superare i limiti fisici fondamentali.

Cosa controlla la penetrazione?

Le onde radio non penetrano lontano attraverso il suolo, le rocce e la maggior parte dei materiali artificiali come il cemento. Lo dimostra l'interruzione della ricezione radiofonica o della connessione del cellulare mentre si guida un'auto attraverso un tunnel o in un parcheggio sotterraneo.

Il fatto che il GPR funzioni dipende dall’utilizzo di sistemi di misurazione molto sensibili e da circostanze specifiche. Le onde radio diminuiscono esponenzialmente e presto diventano non rilevabili nei materiali che assorbono energia, come illustrato nella Figura 1.

Figura 1: I segnali GPR decadono esponenzialmente nel suolo e nelle rocce.

Il coefficiente di attenuazione esponenziale, a, è determinato principalmente dalla capacità del materiale di condurre correnti elettriche. Nei materiali semplici e uniformi questo è solitamente il fattore dominante; quindi una misurazione della conduttività elettrica (o resistività) determina l'attenuazione.

Nella maggior parte dei materiali l'energia viene persa anche a causa della dispersione dovuta alla variabilità del materiale e alla presenza di acqua. L'acqua ha due effetti; in primo luogo, l'acqua contiene ioni che contribuiscono alla conduttività generale. In secondo luogo, la molecola d’acqua assorbe energia elettromagnetica ad alte frequenze tipicamente superiori a 1000 MHz (esattamente lo stesso meccanismo che spiega perché funzionano i forni a microonde).

L'attenuazione aumenta con la frequenza, come illustrato nella Figura 2. Negli ambienti suscettibili al suono GPR di solito c'è un plateau nella curva di attenuazione rispetto alla frequenza che definisce la "finestra GPR".

Figura 2: L'attenuazione varia in base alla frequenza di eccitazione e al materiale. Questa famiglia di grafici descrive le tendenze generali. Alle basse frequenze (1000 MHz) l'acqua è un forte assorbitore di energia.

Posso diminuire la frequenza per migliorare la penetrazione?

L'abbassamento della frequenza migliora la profondità dell'esplorazione poiché l'attenuazione aumenta principalmente con la frequenza. Al diminuire della frequenza, però, entrano in gioco altri due aspetti fondamentali della misura GPR.

Innanzitutto, la riduzione della frequenza comporta una perdita di risoluzione. In secondo luogo, se la frequenza è troppo bassa, i campi elettromagnetici non viaggiano più come onde ma si diffondono, il che è l’ambito delle misurazioni EM induttive o delle correnti parassite.

Perché non posso semplicemente aumentare la potenza del mio trasmettitore?

È possibile aumentare la profondità di esplorazione aumentando la potenza del trasmettitore. Sfortunatamente, la potenza deve aumentare in modo esponenziale per aumentare la profondità dell’esplorazione.

Figura 3: Quando l'attenuazione limita la profondità di esplorazione, la potenza deve aumentare esponenzialmente con la profondità.

La Figura 3 mostra la potenza relativa necessaria per sondare ad una data profondità per le attenuazioni illustrate nella Figura 1. Si può facilmente vedere che gli aumenti della profondità di esplorazione richiedono grandi fonti di energia.

Oltre ai vincoli pratici, i governi regolano il livello di emissioni radio che possono essere generate. Se i segnali del trasmettitore GPR diventano troppo grandi, potrebbero interferire con altri strumenti, TV, radio e telefoni cellulari. (Sfortunatamente, questi stessi dispositivi onnipresenti sono solitamente le fonti limitanti di rumore per i ricevitori GPR!)

Posso prevedere la profondità dell'esplorazione?

Sì, purché si conosca elettricamente il materiale da sondare, sono disponibili numerosi programmi di calcolo numerico. Il modo più semplice per ottenere stime della profondità di esplorazione è utilizzare l'analisi dell'equazione della portata del radar (RRE). È disponibile un software per eseguire questi calcoli e sono numerosi gli articoli sull'argomento. I concetti di base sono illustrati nella Figura 4.

Figura 4: La portata del radar, mostrata qui sotto forma di diagramma di flusso, determina la distribuzione dell'energia e fornisce un mezzo per stimare la profondità di esplorazione.

L'analisi RRE è molto potente per studi parametrici e analisi di sensibilità.

La portata del radar è troppo complicata!

Molti utenti affermano che l'RRE è troppo complicato per l'uso di routine. Se non desideri entrare in calcoli dettagliati, ti suggeriamo di utilizzare la seguente regola empirica più semplice per stimare la profondità dell'esplorazione

D= 35/ metri

dove è la conduttività in mS/m. Sebbene non sia affidabile come la RRE, questa utile regola è piuttosto utile in molti contesti geologici.

Un approccio ancora più semplice consiste nell'utilizzare una tabella o un grafico delle profondità di esplorazione raggiunte nei materiali comuni. Un grafico di esempio per i materiali comuni riscontrati con il GPR è mostrato nella Figura 5.

Figura 5: grafico delle profondità di esplorazione nei materiali comuni. Questi dati si basano su osservazioni del “caso migliore”. Come dimostra la Figura 9, il materiale da solo non è una vera misura della profondità dell’esplorazione.

Le figure 6, 7 e 8 mostrano esempi che vanno dall'esplorazione profonda a quella superficiale. È possibile visualizzare il tipo di materiale per controllare la profondità dell'esplorazione. Purtroppo non sempre è possibile prevedere l'esplorazione conoscendo solo il materiale presente nell'area di indagine.

La Figura 9 mostra una sezione in cui la geologia è sostanzialmente uniforme ma la profondità di esplorazione è molto variabile. La conduttività dell’acqua interstiziale varia mentre il materiale geologico è invariante! In questo caso, conoscere la conduttività fornisce una misura migliore della profondità di esplorazione rispetto alla conoscenza del materiale.

Figura 9: sezione GPR dall'impostazione della sabbia. La profondità dell'esplorazione è determinata dalla conduttività dell'acqua interstiziale, non dal materiale sabbioso. I contaminanti che fuoriescono da una discarica causano una conduttività variabile (e una profondità di esplorazione) in base alla posizione.