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Il Giornale delle Prove non Distruttive Monitoraggio Diagnostica 4/2008 47

RiassuntoIl GPR (Ground Penetrating Radar)è una delle metodologie geofisichepiù giovani, essendo nata circa 80 an-ni fa ma avendo avuto un vero e pro-prio sviluppo commerciale solo a par-tire dagli anni ’70. La penetrazionedel GPR nel settore della diagnosticanon distruttiva sugli edifici è ancorapiù recente in quanto è stata possibilesolo con lo sviluppo di antenne a fre-quenze molto elevate (> 500MHz).Negli ultimi 10-15 anni, gli sviluppipiù significativi di questa tecnologiahanno ruotato intorno al diffondersidi procedure di indagine 3D con ilconseguente sviluppo di nuovi soft-ware per l’elaborazione e la restitu-zione di risultati tridimensionali, losviluppo di nuovi sistemi di posizio-namento per condurre le indagini 3D,lo sviluppo di sistemi multicanale conarray di antenne, lo sviluppo di anten-ne multipolari. In parallelo, si è ancheassistito ad una interessante gara ver-so le alte frequenze (> 2GHz) perguadagnare risoluzione nel settoredella diagnostica sulle strutture. L’esi-to di questi sviluppi è stato quello dipermettere interpretazioni più affida-bili dei risultati, consentire l’applica-zione della metodologia a problemipiù complessi risolvibili solo con in-dagini 3D o solo con strumenti di al-tissima risoluzione, facilitare il trasfe-rimento dei risultati agli utilizzatorifinali. Il futuro dovrebbe riservare an-cora ulteriori sviluppi in queste duedirezioni, ossia nuovi sistemi ad arraydi antenne, per i quali la tecnologiadeve ancora risolvere alcuni problemicritici, e nuove antenne di frequenzasempre più alta per nuove applicazio-ni nella diagnostica non distruttiva.

IntroduzioneLa tecnologia GPR (Ground Penetra-ting Radar) è nata circa 80 anni fa perscopi scientifici ma i sistemi commer-ciali non sono nati prima degli anni ‘70.All’origine la tecnologia è stata applica-ta alle indagini sul ghiaccio. In seguito,i sistemi GPR si sono progressivamen-te diffusi per applicazioni ambientali earcheologiche sul terreno e successiva-mente hanno guadagnato spazio anchenel settore delle indagini non distrutti-ve per la diagnostica degli edifici, gra-zie anche allo sviluppo di sistemi di fre-quenza sempre più elevata. Essendouna tecnologia geofisica relativamentegiovane, il suo sviluppo è ancora in pie-no svolgimento. Infatti, negli ultimi10-15 anni la tecnologia GPR ha fattoprogressi considerevoli, guadagnandomaggiore stima presso gli utilizzatorifinali e ampliando notevolmente i pos-

sibili settori applicativi. In questo lavo-ro si discutono alcuni tra i progressi piùsignificativi degli ultimi anni cercandodi documentare anche con esempi ap-plicativi l’importanza e l’impatto chequesti sviluppi tecnologici hanno avutosulle potenzialità della metodologiaGPR. Si cerca anche di evidenziarequali aspetti tecnologici risultano anco-ra non completamente risolti e sui qua-li quindi si attendono nuovi sviluppi emaggior competizione tra i produttoridi sistemi.

Diffusione del 3DPer molti anni il GPR è stato utilizza-to in modalità 2D, ossia per eseguireprofili lineari dai quali ricavare sezio-ni bidimensionali del materiale inve-stigato come mostrato ad esempio infig.1 (Binda et al., 2003). Negli ultimi

Speciale RADAR

Recenti progressi nella tecnologia GPR e loro impatto sulle applicazioni per la diagnostica

Luigi Zanzi, Maurizio [email protected] - [email protected]

Dipartimento di Ingegneria Strutturale, Politecnico di Milano - MilanoPiazza Leonardo da Vinci, 32 - 20133 Milano

Key wor ds: Gr ound penetrating radar (GPR), Diagnostic

Fig.1. Esempio di sezione 2D ottenuta da un profilo radar eseguito sulla soletta che appoggia sul-le volte del porticato. Si osservano le riflessioni delle volte, le diffrazioni dei tiranti di metallo ele diffrazioni di alcuni tubi o cavi elettrici che corrono sotto la pavimentazione.

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dieci anni invece si è assistito ad unasempre maggiore diffusione dell’uti-lizzo del GPR in modalità 3D, grazieanche allo sviluppo di nuovi sistemi eal diffondersi di nuovi software. Il 3Doffre due vantaggi fondamentali ri-spetto al 2D (Binda et al., 2008). In-nanzitutto facilita la trasmissione deirisultati all’utente. Si passa da restitu-zioni 2D come in fig.2, dove le infor-mazioni fondamentali (presenza dellearmature nella soletta, interdistanza,profondità) sono già contenute e rica-vabili con poco sforzo da un tecnicoesperto di GPR, a restituzioni 3D co-me in fig.3, dove il dato radar stesso,opportunamente elaborato con tecni-che di focalizzazione 3D mostra lareale geometria (a parte la dimensio-ne dei tondini evidentemente sovra-stimata a causa della limitata risolu-zione dell’esperimento) della rete diarmature della soletta. E’ ovvio cheimmagini come quelle di fig.3 sonomolto più facilmente interpretabilianche da utenti non esperti di radar.Ma se per alcune applicazioni l’usodel 3D è un’opzione a cui si potrebbeanche rinunciare per contenere i tem-pi e i costi delle indagini, in molti ca-si il 3D è una necessità in quanto solola correlazione spaziale delle informa-zioni contenute nelle sezioni 2D ac-quisite lungo linee parallele sufficien-temente dense permette di risolverele ambiguità e le incertezze nell’inter-pretazione delle registrazioni. Unasingola sezione estratta dal volume didati 3D di fig.4 (Lualdi and Zanzi,2003a) mostra due, a volte tre, diffra-zioni importanti. Soltanto l’esplora-zione simultanea dell’intero volumepermette di distinguere le diffrazioni

prodotte da target isolati (probabil-mente pietre) da quelle prodotte daisottoservizi (tubi, cavi, fibre, etc.)obiettivo dell’indagine specifica. Allostesso modo, solo la persistenza per

una estensione di circa 2m del segna-le diffratto da un target a profonditàdi circa 130cm (fig.5) permette di in-terpretare il risultato attribuendolocon ragionevole certezza ad una se-

Fig.5. Esempio di indagine archeologica 3D condotta sul pavimento di una chiesa. Le diffrazio-ni osservate a circa 130cm di profondità nei profili più a sinistra sono molto probabilmente ge-nerate da una sepoltura.

Fig.4. Esempio di indagine 3D per la mappatura dei sottoservizi. Il volume è rappresentato me-diante sezioni parallele (sopra) o in forma di superfici iso-ampiezza (sotto).

Fig.2. Esempio di profilo radar 2D acquisito conantenna da 1GHz su una soletta armata. Si nota-no 8 diffrazioni equidistanziate prodotte dalle ar-mature ortogonali al profilo radar che le interseca.

Fig.3. Esempio di ricostruzione tridimensionale ottenuta da una indagine 3D con antenna da1GHz sulla medesima soletta armata di fig.2. Il volume dei dati opportunamente elaborati e fo-calizzati viene mostrato attraverso sezioni incrociate (a sinistra) o in forma di superfici iso-am-piezza (a destra).


poltura. E’ il tipico caso delle indagi-ni a fini archeologici, dove solo la ri-costruzione delle geometrie spazialidei bersagli osservati permette di dis-criminare i disturbi isolati dai bersaglicontinui appartenenti ad antichi ma-nufatti (fondazioni, tunnel, cripte, se-polture, etc.). Si veda ad esempio lafig.6 dove i probabili resti di un anti-ca costruzione (Lualdi et al., 2006a)vengono riconosciuti nonostante ilsegnale sia piuttosto debole grazie al-la geometria circolare che apparechiaramente a 75cm di profonditàesplorando il volume dei dati secondosezioni orizzontali a quota costante.Ma anche le indagini per la diagnosti-ca delle strutture trovano nel 3D po-tenzialità maggiori guadagnando lapossibilità di descrivere la geometriacompleta delle anomalie osservate,siano esse inclusioni come in fig.7(Valle et al., 2000), fratture come infig.8 (Binda et al., 2006), distacchi,delaminazioni o altro. Descriverel’andamento e l’estensione nello spa-

zio 3D di questi elementi, siano essielementi strutturali nascosti oppuredifetti, risulta strategico per una buo-na diagnostica. Come strategico puòessere poter mappare l’intero svilup-po delle fratture all’interno di un am-masso roccioso come in fig.9 (Lualdiand Zanzi, 2003b) piuttosto che dia-gnosticarne semplicemente l’esisten-za con una indagine 2D senza poter-ne delimitare l’estensione e descriver-ne l’orientamento.

Tecnologie per il 3DNaturalmente le indagini 3D richie-dono un impegno maggiore rispettoalle indagini 2D sia in fase di acquisi-zione che in fase di elaborazione deidati. Se il secondo aspetto è ormai unostacolo minore grazie al fatto che lapotenza di calcolo non manca e i soft-ware commerciali per l’elaborazione3D dei dati GPR hanno ormai rag-giunto ottimi livelli di qualità, il pri-mo aspetto, cioè la tecnologia per ese-

guire in modo rapido ma accurato leacquisizioni rappresenta ancora unpunto critico. Il teorema del campio-namento impone di acquisire i profiliradar paralleli con un’interdistanzainferiore a λ/4, dove λ è la lunghezzad’onda del segnale radar. Ciò a preve-nire fenomeni di aliasing spaziale checomprometterebbero l’efficacia delletecniche di focalizzazione 3D e quin-di la qualità delle immagini finali. Inaggiunta a questo, occorre che i datisiano georeferenziati con buona pre-cisione (Groenenboom et al., 2001).La necessità di garantire questi requi-siti e nello stesso tempo di ridurre itempi di acquisizione e quindi i costiha portato allo sviluppo da un lato dinuovi sistemi di posizionamento edall’altro di sistemi GPR multicanalecon array di antenne. L’esecuzione diuna indagine 3D con una singola an-tenna risulta ovviamente onerosa intermini di tempo e di costi soprattut-to se il posizionamento necessita dioperazioni aggiuntive o dell’interven-to di ulteriore personale oltre a quel-lo richiesto per trainare l’antenna. Isistemi GPS proposti pressochè datutti i fornitori di sistemi GPR posso-no essere utilizzati (Aaltonen and

Fig.8. Esempio di indagine 3D condotta su unpilastro in pietra. Le linee rosse segnano la po-sizione degli spigoli del pilastro, le linee gialleindicano l’orientamento dei profili parallelieseguiti sulla parete di destra, il tratteggiobianco mette in evidenza una frattura inter-na, non visibile dall’esterno. Il metodo radarin modalità 3D permette di mappare la frat-tura e di stimarne l’estensione e l’inclinazione.

Fig.6. Esempio di inda-gine 3D a fini archeolo-gici di cui si mostra unasezione orizzontale a pro-fondità di circa 75cm. Ilsegnale radar, benchèpiuttosto debole, mostrauna concentrazione dienergia diffratta distri-buita lungo una geome-tria pressochè circolareche testimonia l’esistenzadi un antico manufatto.

Fig.7. Esempio di inda-gine condotta su un mo-numento in marmo al fi-ne di identificare l’even-tuale presenza di elemen-ti di collegamento tra iblocchi di marmo. Si no-tano 5 perni verticali e 3perni orizzontali utiliz-zati per vincolare tra loroi blocchi di marmo delmonumento ricostruito.


Nissen, 2002; Tischler et al., 2002;Goodman et al., 2004) ma ovviamen-te solo per indagini su spazi aperti;boschi o strade strette con edifici altipossono già mettere in crisi questatecnologia. Altri sistemi sperimentatida diversi gruppi di ricerca (Foley etal., 2003; Heincke et al., 2005; Gra-smueck and Viggiano, 2006, 2007) ein qualche caso anche proposti sulmercato da qualche fornitore si basa-no sull’utilizzo di stazioni con teodo-lite laser ad inseguimento automatico(fig.10), oppure sull’utilizzo di sistemiinerziali (Roth and Olhoeft, 2000).Oltre al fatto che tali apparecchiaturehanno un costo non trascurabile ri-mane l’inconveniente rappresentatodagli ostacoli mobili che possono in-terporsi tra la o le stazioni base e l’an-tenna in movimento. Una soluzionemeno costosa ma che ancora richiedel’assenza di ostacoli tra antenna e sta-zione base è quella di utilizzare unaguida laser autolivellante in combina-zione con un sensore a fotodiodimontato sull’antenna come mostratoin fig.11 (Lualdi et al., 2006a). La gui-da laser opportunamente orientatapuntando su un target fisso genera unfascio laser rotante nel piano verticaleche traccia il profilo da eseguire rigo-rosamente ortogonale alla linea dipartenza dei profili (fig.12). Il sensorea fotodiodi montato sull’antennasvolge la funzione di segnalare all’o-peratore come deve correggere latraiettoria per mantenere l’antennanella direzione del profilo. Un siste-ma di questo tipo può essere usato ef-ficacemente anche all’interno di edifi-ci (fig.13) per indagini archeologiche(Utzi, 2006) o di diagnostica ancheverticale. Per spazi ancora più ridottisono stati proposti anche altri sistemi,ancora più economici. Al di là del ba-nale tappetino con il tracciato deiprofili da eseguire proposto da tutti ifornitori di antenne di alta frequenza(fig.14), una delle soluzioni più inte-ressanti è costituita dal sistema PSG(fig.15 e 16) in cui il tappetino e ilfondo dell’antenna sono dotati di sol-chi che obbligano l’antenna a scorre-re lungo profili rigorosamente paral-leli (Lualdi and Zanzi, 2003a, 2003c).Il sistema risulta molto efficace per-chè garantisce grande precisione nelposizionamento e consente di esegui-

Fig.9. Esempio di indagine 3D in una cava di calcare pregiato finalizzata alla caratterizzazio-ne degli strati in termini di qualità e spessore.

Fig.10. Antenna dimedia frequenza perindagini in ambitourbano equipaggiatacon la strumentazio-ne necessaria permantenere l’antennasotto costante osser-vazione da parte diun teodolite laser adaggancio automatico.

Base of the first layer

Base of the second layer

Main fractures

Start line

Fig.11. Esempio di sistema a guida laser assemblato con prodotti commerciali di costo contenuto.


re profili molto veloci in quanto nonnecessita dell’attenzione necessariaper seguire i profili disegnati sul tap-petino di fig.14. L’altra direzione di sviluppo nella qua-le diversi costruttori si stanno cimen-tando è la realizzazione di sistemi GPRmulticanale che permettono l’utilizzodi array di antenne. I primi prototipi diquesto tipo sono nati pensando senz’al-tro alla applicazione per la mappaturadei sottoservizi ma anche le indaginiarcheologiche su vaste aree pianeg-gianti possono trovare grande giova-mento in questi sistemi. Si tratta distrumenti ancora poco diffusi sia per icosti non trascurabili sia per i problemitecnologici ancora non completamenterisolti. La miniaturizzazione delle an-tenne per poter garantire i requisiti dicampionamento spaziale, la scelta otti-male della polarizzazione e della fre-quenza delle antenne sono i punti criti-ci su cui si conduce attualmente lacompetizione tra i principali costrutto-ri di sistemi GPR. Il futuro del 3D vasicuramente in questa direzione anchese è molto probabile che i sistemi mo-nocanale continueranno a trovare largoimpiego nelle indagini per la diagnosti-ca degli edifici dove le indagini 3D sisvolgono in spazi ristretti, spesso su su-perfici verticali e con antenne di altafrequenza. Qui infatti l’ingombro di unarray di antenne, anche se di alta fre-quenza, potrebbe precludere il suo uti-lizzo in molte situazioni.

La corsa alle alte frequenzePer parecchi anni le antenne di alta fre-quenza proposte dai vari produttori di

radar con tecnologia impulsiva (la piùdiffusa sul mercato) non superavano i1500MHz. Negli ultimi anni sono ap-parse frequenze progressivamente piùalte, comprese tra 2 e 3GHz. A questesi aggiungono i sistemi non impulsivi(basati su tecnologia stepped-fre-quency) proposti da alcuni costruttoricon i quali è più facile estendere la ban-da di lavoro e che quindi vengono spes-so proposti con antenne che raggiungo-no anche i 4GHz. Questo sviluppo ver-so le alte frequenze va certamente a fa-vore delle applicazioni più spinte nelladiagnostica non distruttiva. Ad esempionelle applicazioni in cui gli obiettivi so-no estremamente superficiali come iproblemi di distacco del paramento nel-le murature, l’analisi della tessitura mu-raria nascosta dall’intonaco negli edificiin pietra, i problemi di delaminazionenel calcestruzzo, le fratture, l’analisi de-gli interventi di ripristino negli edificistorici, e altro ancora. Come esempiodei livelli di risoluzione raggiungibilicon queste frequenze si osservi la fig.17dove un muro costituito da mattoni fo-rati coperti da un intonaco di spessore1.5cm è stato indagato in modalità 3Dcon un’antenna da 2GHz (sistemaAladdin). Si noti l’immagine della tessi-tura muraria perfettamente riconoscibi-le (persino nel dettaglio dei fori oriz-zontali dei mattoni) con un’immagineche non ha nulla da invidiare alle mi-gliori immagini termografiche.

Antenne bipolariLa tipologia di antenna più utilizzataper realizzare sistemi ad alta frequen-za è l’antenna bow-tie. Si tratta di

Fig.14. Tappetino con il tracciato dei profiliradar da eseguire manualmente con un’an-tenna di alta frequenza.

Fig.15. Sistema Aladdin, costituito da un’an-tenna di alta frequenza (2GHz) bipolare e daun sistema di posizionamento PSG realizzatoattraverso un tappetino solcato sul quale scor-re il fondo dell’antenna opportunamente solca-to con il medesimo passo del tappetino.

Fig.16. Sistema GPR di media frequenza perindagini 3D finalizzate alla mappatura deisottoservizi in aree circoscritte. Il sistema diposizionamento è ancora costituito da un tap-peto solcato (sistema PSG).

Fig.12. Schema di funzionamento del sistema a guida laser di fig.11. Fig.13. Esempio di utilizzo del sistema a guida laser di fig.11per una applicazione archeologica.


un’antenna polarizzata e pertanto diun’antenna che offre una sensibilitàdiversa ai bersagli che hanno una di-rezione di sviluppo prevalente (ad

esempio le armature nel calcestruzzo,i sottoservizi, etc.) in funzione dell’o-rientamento relativo antenna-bersa-glio (fig.18). Ne consegue che per ot-tenere un risultato come quello mo-strato in fig.3 occorre ripetere l’ac-quisizione 3D due volte, una primavolta in direzione X per osservare learmature orientate lungo Y e poi unaseconda volta in direzione Y per os-servare le armature orientate lungo X. Fortunatamente, negli ultimi anni sonoapparse sul mercato le prime antennebipolari ad alta frequenza, tipo quellamostrata in fig.15. Essa contiene duecoppie di elementi bow-tie ortogonali.Il vantaggio di un sistema bipolare con-siste nel fatto che è sufficiente acquisi-re i profili paralleli lungo una singoladirezione per ottenere una ricostruzio-ne 3D completa dei bersagli indipen-dentemente dal loro orientamento(Lualdi et al., 2006b). In altre parole sidimezzano i tempi di acquisizione diuna indagine 3D che abbia come obiet-tivo bersagli lineari come le armature oi sottoservizi. Si osservi come esempioil rilievo di fig.19 (Mirabella et al.,2008). L’obiettivo era ricostruire la po-sizione, l’orientamento e la lunghezzadi elementi metallici chiamati “fiube”utilizzati in passato per vincolare le pa-reti esterne dei palazzi di Venezia allesolette di legno. La mappatura di talielementi vincolanti, talvolta non rico-

noscibili dall’esterno poichè nascosti daelementi decorativi o dall’intonaco, èessenziale per l’analisi del comporta-mento dell’edificio e quindi per la pro-gettazione di eventuali interventi di re-stauro. L’esempio dimostra l’efficaciadel sistema bipolare che a valle diun’acquisizione svolta lungo una soladirezione ottiene la mappa completadelle fiube presenti qualunque sia il lo-ro orientamento come somma delleimmagini prodotte dalle due diversepolarizzazioni. È importante però os-servare che un tale risultato è possibilesolo se si utilizza un sistema di posizio-namento estremamente accurato. In-fatti la qualità dell’immagine prodottadall’antenna polarizzata nella direzionedei profili è molto sensibile al correttoallineamento spaziale dei profili (Zanzi,2005). Il vantaggio non trascurabiledelle antenne bipolari e quindi il lorosuccesso risulta quindi condizionatodalla possibilità di poter disporre di unsistema di posizionamento accurato edefficace. In questo senso, il binomioantenna bipolare di alta frequenza e si-stema di posizionamento PSG (fig.15)risulta un’ottima soluzione che sta tro-vando un buon riscontro nel settoredella diagnostica non distruttiva.

ConclusioniI progressi più recenti nella tecnologiaGPR hanno incrementato considere-

Fig.19. Sezioni orizzontali estratte daivolumi 3D ottenuti con sistema Aladdininvestigando la pavimentazione di unpalazzo storico di Venezia. Si osserva ladiversa sensibilità delle due polarizza-zioni. Il risultato finale è sostanzialmen-te la somma delle due immagini. L’an-tenna bipolare permette quindi di map-pare tutti i bersagli comunque questisiano orientati.

Fig.18. Esempio di sezione 2D prodotta da un singolo profilo con la polarizzazione indicata in figura. Nel primo caso si osservano le diffrazionigenerate dalle armature parallele alla polarizzazione dell’antenna e quindi ortogonali al profilo radar. Nel secondo caso, la polarizzazione del-l’antenna è parallela alla direzione del profilo e quindi l’antenna è insensibile alle armature intersecate dal profilo.

Fig.17. Indagine 3D condotta con antenna da2GHz su di un muro di mattoni forati coper-to da intonaco con spessore 1.5cm. Si riconoscela tessitura muraria ed il dettaglio dei foriorizzontali dei mattoni. Una risoluzione cosìelevata è raggiungibile solo utilizzando an-tenne di altissima frequenza.

VV HH

reinforcement

concrete

reinforcement


volmente le potenzialità di questo me-todo aumentando l’affidabilità delleinterpretazioni dei risultati, estenden-do l’applicabilità a problemi più com-plessi, migliorando la trasferibilità deirisultati agli utilizzatori finali. Il grande passo avanti si è avuto conla diffusione del 3D come proceduradi indagine e di restituzione dei risul-tati. Il successo del 3D ha fatto cre-scere la fiducia nel metodo e quindianche la domanda di indagini di que-sto tipo. Di conseguenza è anche cre-sciuta la pressione sui produttori perlo sviluppo della tecnologia correlata(nuovi software, sistemi di posiziona-mento, sistemi ad array di antenne,antenne bipolari, etc.). Tale svilupponon e’ ancora terminato e si può fa-cilmente prevedere che il futuro ve-drà il diffondersi dei sistemi ad array,già ora molto promettenti ma per iquali la tecnologia deve ancora risol-vere brillantemente alcuni problemicritici. Nel contempo ci si può aspet-tare che nel settore della diagnosticasugli edifici laddove necessitano altefrequenze e sensori poco ingombran-ti la competizione proseguirà sullacorsa alle alte frequenze e sui sistemibipolari.

RingraziamentiGli autori desiderano ringraziare ladivisione Georadar di IDS S.p.A. cheha fornito la strumentazione per l’e-secuzione di diverse indagini tra quel-le mostrate negli esempi.

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