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Title: Stima del contenuto idrico di suoli mediante tecniche di indagine elettromagnetica
Other Titles: Soil water content estimation using electromagnetic techniques
Authors: Di Matteo, Andrea
Keywords: Contenuto idrico;Idrogeofisica;Fisica del suolo;Tecniche elettromagnetiche;GPR;TDR;FIS/07
Issue Date: 22-Apr-2008
Publisher: Università degli studi della Tuscia - Viterbo
Series/Report no.: Tesi di dottorato di ricerca. 20. ciclo
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
URI: http://hdl.handle.net/2067/1974
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