http://http://dspace.unitus.it:80 The DSpace digital repository system captures, stores, indexes, preserves, and distributes digital research material. Sun, 26 May 2013 03:58:01 GMT 2013-05-26T03:58:01Z http://hdl.handle.net/2067/1974 Title: Stima del contenuto idrico di suoli mediante tecniche di indagine elettromagnetica Authors: Di Matteo, Andrea Abstract: La tecnica GPR (Ground Penetrating Radar) è una metodologia di indagine veloce e non invasiva, ampiamente utilizzata per ottenere informazioni sulle caratteristiche di propagazione delle onde elettromagnetiche all’interno di un suolo. I parametri di propagazione elettromagnetica risultano dipendere fortemente dalla permettività complessa di un terreno, e quindi, dato l’elevato valore di permettività dielettrica caratterizzante l’acqua, dal suo contenuto idrico. Diverse metodologie di indagine (ad esempio la tecnica a riflessione o la tecnica “ground wave”), effettuate sia in modalità di acquisizione “single offset” che “multi offset”, sono state ampiamente testate e la loro accuratezza è stata valutata in diversi lavori presenti in letteratura. Nel presente lavoro, una nuova tecnica di indagine (effettuata in modalità “single offset” e con il sistema GPR posto a contatto con il suolo), basata sull’analisi della prima parte del segnale acquisito, è stata messa a punto ed esaminata. In particolare, lo scopo principale è stato quello di dimostrare come il valore medio dell’inviluppo del primo semiciclo della traccia acquisita possa essere convenientemente utilizzato per ottenere informazioni sulla permettività dielettrica di un suolo e, quindi, sul suo contenuto idrico. A tal fine, misure sperimentali, su di un sito naturale e su di un sito artificiale, sono state condotte e modelli teorici, tramite simulazioni numeriche, sono stati implementati. Il sito naturale scelto per le misure sperimentali consiste in un largo gas vent ed è caratterizzato da forti variazioni laterali di contenuto d’acqua che producono un marcato gradiente laterale delle proprietà elettromagnetiche del suolo. La configurazione del sito è risultata ottimale per poter indagare ed ottenere evidenze sperimentali su di una possibile dipendenza fra le caratteristiche del segnale GPR, ed in particolare le caratteristiche di ampiezza della traccia, e la distribuzione spaziale dei parametri dielettrici. Le indagini GPR sono state condotte con un sistema “single offset” con antenna da 250 MHz e l’ampiezza media dell’inviluppo di ciascuna delle tracce acquisite è stato calcolato per diverse finestre temporali con durata determinata dall’inverso della frequenza centrale caratterizzante il sistema GPR utilizzato. Misure di permettività dielettrica, con la tecnica TDR (Time Domain Reflectometry), sono state anche eseguite e una stima quantitativa del grado di dipendenza lineare fra le grandezze misurate è stata effettuata calcolando il coefficiente di correlazione per le coppie di misure acquisite nelle stesse posizioni. I risultati ottenuti hanno mostrato un buon grado di correlazione fra i valori di permettività e i valori di ampiezza media dell’inviluppo del segnale GPR, calcolati per la prima finestra temporale (0-4 ns), indicando come questi ultimi possano essere utilizzati per determinare le variazioni superficiali di permettività, e quindi di contenuto idrico, di un suolo. Al fine di realizzare misure in condizioni idriche controllate e di ridurre gli effetti dovuti alla presenza di vegetazione e alla rugosità del terreno, un largo sito artificiale è stato progettato e realizzato. Anche in questo caso, sono state condotte misure TDR e misure GPR (con sistema “single offset” e con antenne da 250 e 500 MHz); la correlazione ottenuta è risultata, per entrambe le antenne, buona e migliore di quella ottenuta per le misure effettuate sul sito naturale. Uno studio è stato, inoltre, condotto per determinare la dipendenza della bontà del coefficiente di correlazione dalla durata della finestra temporale scelta per il processo di media. Si è osservata una chiara dipendenza del valore del coefficiente di correlazione dall’intervallo temporale scelto, e, confrontando i risultati con quelli ottenuti con misure su di un sito naturale, si è osservato come la durata ottimale della finestra temporale, su cui effettuare il valor medio dell’ampiezza della traccia complessa per massimizzare il valore del coefficiente di correlazione, risulti altamente dipendente dalle caratteristiche costitutive del sito analizzato. Questo comporta notevoli problemi nel momento in cui si desideri analizzare siti con forti eterogeneità di suolo. Per ovviare a tale problema, un metodo alternativo per la determinazione della durata della finestra temporale è stato introdotto e l’intervallo temporale è stato scelto, traccia per traccia, in base alla durata del primo semiciclo del segnale acquisito. I risultati hanno mostrato come tale metodologia di analisi sia valida e come sia indicata per essere applicata su qualsiasi tipologia di suolo. Per rendere teoricamente consistente la metodologia sperimentale di analisi del segnale proposta e per verificarne l’applicabilità in differenti contesti di indagine, simulazioni numeriche del sistema GPR/suolo sono state implementate. In particolare, l’interazione fra due antenne, poste in prossimità del suolo, è stata studiata e gli effetti di accoppiamento fra il suolo e le antenne sono stati simulati numericamente. Il modello utilizza l’approssimazione di cavi lineari per le antenne (trasmittente e ricevente) e l’interazione con il suolo è tenuta in conto attraverso l’utilizzo di opportune funzioni di Green. Il mezzo, in cui sono poste le antenne, consiste in un semispazio superiore, costituito da aria, e in un semispazio inferiore, con le caratteristiche elettromagnetiche del suolo; diverse configurazioni di suolo sono state considerate come parametri di ingresso del modello: i) Il suolo è stato modellizzato come un semispazio omogeneo e non conduttivo, con una permettività dielettrica compresa fra 5 e 80. Il coefficiente di correlazione, fra tutti valori di permettività dielettrica considerati e i valori medi di ampiezza dell’inviluppo delle tracce simulate, è stato determinato e i risultati hanno mostrato come ci sia una forte dipendenza lineare fra le due grandezze quando l’onda diretta in aria e la “ground wave” risultano completamente accoppiate (come nelle condizioni di permettività misurate nell’attività sperimentale). Questa condizione di accoppiamento si ha quando la lunghezza d’onda del segnale GPR risulta essere maggiore della distanza di separazione fra le antenne, e risulta essere la condizione caratteristica delle misure “single offset” effettuate su siti naturali. ii) Il suolo è stato modellizzato come un semispazio omogeneo e conduttivo. Le simulazioni hanno mostrato come la conducibilità elettrica influenzi il valore di ampiezza del segnale. Tuttavia, assumendo per il suolo i valori dei parametri elettromagnetici caratteristici delle misure TDR effettuate sul sito artificiale (dello stesso ordine di grandezza di quelli caratteristici della maggior parte dei siti presenti in natura), si è osservato come la conducibilità elettrica non influenzi significativamente la correlazione fra la permettività e gli attributi del segnale GPR. iii) Il suolo è stato modellizzato come un mezzo costituito da due strati distinti e lo spessore dello strato superiore è stato progressivamente incrementato. Le simulazioni hanno mostrato come, per spessori dello strato superiore sufficientemente grandi, non risulti esserci influenza dello strato inferiore sulla prima porzione del segnale GPR; si è osservato, invece, come vi sia uno spessore critico per lo strato superiore al di sotto del quale i fenomeni di interferenza, dovuti alle riflessioni generate dal contrasto dielettrico fra i due mezzi, possano influenzarne l’ampiezza. In questi casi, le informazioni sulla permettività del suolo, ottenibili dall’analisi del valore medio dell’inviluppo della traccia GPR, potrebbero essere soggette ad errori. Tali fenomeni, che in misure sperimentali su siti naturali possono essere causati dalla presenza di discontinuità dielettriche localizzate, porterebbero ad erronee informazioni puntuali; la mappatura su media scala, tuttavia, delle variazioni di permettività superficiale risulterebbe ugualmente attendibile. In conclusione, le simulazioni numeriche e i risultati sperimentali hanno mostrato come la tecnica GPR proposta risulti particolarmente efficace per effettuare indagini rapide e con una buona risoluzione spaziale e risulti non soggetta alle limitazioni che contraddistinguono altre tecniche GPR di acquisizione ed analisi (necessità di riflettori posti a profondità nota o di discontinuità dielettriche localizzate o di misure geofisiche integrate, lunghi tempi di acquisizione e bassa risoluzione spaziale orizzontale).; Ground Penetrating Radar (GPR) is a fast and non destructive tool, widely used to obtain information on electromagnetic wave propagating through the subsurface. Electromagnetic propagation parameters are sensitive to the complex permittivity of soil, which is strongly influenced by the water content. Several methodologies (e.g. reflection and ground wave methods), using both single and multi offset configuration, have been tested and their accuracy has been evaluated. In this work, we want to test a new survey approach based on the analysis of early-time GPR signals acquired in a surface-lunched single-offset configuration. In particular, my goal is to demonstrate that the average envelope amplitude of the first half-cycle of the signal can be conveniently used to obtain information about the soil surface permittivity (and therefore water content). For this purpose, experimental measurements were conducted, both in a natural and in an artificial site, and theoretical models, by numerical simulations, were developed. The natural site selected for experimental measurements consists of a large gas vent with strong lateral water content variations, which produce strong lateral gradients in the soil electrical properties. This is an essential characteristic, as it allows us to better highlight and interpret the relationship between GPR signal attributes and the spatial distribution of the electromagnetic parameters. The GPR survey was conducted with a single-offset 250 MHz system and the average envelope amplitude for the acquired traces was computed by using different time windows, with time duration given by the inverse of the central frequency of the GPR emitted pulse. TDR (Time Domain Reflectometry) permittivity measurements were also performed and a quantitative estimate of the degree of linear correlation between the measured quantities was performed by the correlation coefficient calculated using the pairs of measurements taken in the same locations. Results show a good degree of correlation associated with the early time windows (0-4 ns), indicating that the average envelope amplitude, of the first arrival time signal, can be used for spatial variability mapping of the near-surface soil electrical permittivity. Furthermore, in order to perform measurements in controlled water content conditions and to eliminate the effects due to vegetation and surface roughness, a large test site has been constructed. GPR, with single-offset 250 and 500 MHz antenna system, and TDR surveys were conducted. Also in this case the correlation between TDR and GPR data was analyzed obtaining good results, better than the natural site ones. A study was also performed to investigate the relationship between the correlation goodness and the time duration of the window used for the average envelope amplitude calculation. Results show a strong dependence on the correlation coefficient value from the chosen time interval and, comparing the obtained results with the natural site ones, it is observed how the best time windows, that gives the highest correlation values, is highly site specific. This can be a problem for mapping soil water variation of heterogeneous soils and for this reason, the correlation analyses were performed also using a variable time window, defined by the first half-cycle duration. The obtained correlation values are good and indicate how this methodology of signal analysis can be conveniently used for all kinds of soil. To give a theoretical support to the new survey approach used in the experimental measurements and to investigate its limitations, a numerical simulation of the GPR/soil system was implemented. For this purpose, the effects of two antennas placed close together on the Earth’s surface are studied and the antennas to ground coupling effects are numerically simulated, using a model for linear electric dipoles. The model uses a thin-wire approximation for the transmitting and receiving antennas and the interaction with the Earth is directly accounted for using appropriate Green’s functions. The model consists of a homogenous upper half-space (air) and a lower half-space representing the soil; several Earth configurations are assumed as input for the model: i) The ground is modelled as an homogenous non-conductive half-space with a permittivity ranging from 5 to 80. The linear correlation coefficient between the average envelope amplitude of the first half-cycle of the GPR simulated signals and the input modelled permittivity values have been evaluated. The simulations show that there is a linear correlation between the permittivity and the average envelope amplitude values when the air and the ground wave are completely coupled; this occurs when the wavelength is larger or equal to the antenna offset, as usually take place in singleoffset field measurements (and as take place for the permittivity values measured in the experimental part of this work). ii) The ground is modelled as a homogenous conductive half-space. The simulation shows that the conductivity affects the value of the signal amplitude. However, assuming for the soil a range of electromagnetic values as the TDR measured ones (and similar to the ones usually present in a natural site), the conductivity doesn’t seem to significantly influence the correlation between permittivity and GPR signal attributes. iii) The ground is modelled as a two layer half-space and the thickness of the upper layer is progressively increased. The simulations show that if the top layer is sufficiently thick there is not influence of the lower medium on the early time GPR signal. Nevertheless, if the thickness of the upper layer is thinner than a critical length, the waveform is influenced both by the lower layer and by the interference with the reflected signal coming from the interface between the two media. In this case the average envelope amplitude could give wrong punctual information about the soil permittivity. These phenomena, which in the field measurements could be due to the presence of local dielectric discontinuities, could give wrong punctual information, however the medium scale map of the permittivity will result regardless correct. In Summary, the experimental measurements and the numerical simulations have shown that the proposed GPR technique can be conveniently used to map, rapidly and with a good spatial resolution, the soil water content variation in medium scale survey, without the limitation of other GPR methodologies of acquisition and analyses (e.g. the presence of a shallow reflector in the subsoil for the reflection method and the long time of acquisition of the ground wave method). Description: Dottorato di ricerca in Scienze ambientali Mon, 21 Apr 2008 22:00:00 GMT http://hdl.handle.net/2067/1974 2008-04-21T22:00:00Z